Der Morgen beginnt hart, besonders wenn Sie um halb sechs aufwachen. Vor dem Fenster regnet es, versteckt unter den Regenschirmen die Gesichter einiger Lerchen, die zur Arbeit rennen, und Eulen, die in gemessenen Schritten nach Hause zurückkehren. Der Wecker, der von Natur aus ein Abschaum ist, klingelt mit seiner inhärenten Genauigkeit zum dritten Mal. Und aus irgendeinem Grund scheint es, dass er dies mit Verärgerung und Vorwurf tut. Wenn Sie die Regel des dritten Nachtwächtersignals vom Game of Thrones beachten, müssen Sie beim dritten Anruf aus dem Bett aufstehen und wie weiße Spaziergänger in Richtung Küche wandern. Wasserkocher, Tasse, Zucker, Kaffee. Das war's, der Morgen hat offiziell begonnen.
Dieser kurze Aufsatz vermittelt deutlich die Morgenroutine vieler von uns. Und sein Hauptmerkmal ist Kaffee, ohne den es am Morgen manchmal schwierig ist, sich an die Anwesenheit des Gehirns im Schädel zu erinnern. Die belebende Wirkung von Kaffee ist das Ergebnis der psychostimulierenden Wirkung von Koffein. Worüber ich spreche, eine Gruppe von Wissenschaftlern hat zum Spaß beschlossen, Koffein zur Verbesserung der Fotozellen zu verwenden. Und wie wir wissen, steckt in jedem Witz etwas Wahres, denn diese lustige Idee hat in der Praxis erstaunliche Ergebnisse gebracht. Wie wurde Koffein in Fotozellen eingesetzt, welche Indikatoren könnten verbessert werden und inwieweit ist eine solche Verbesserung gerechtfertigt? Antworten auf diese und andere Fragen (nein, nicht im Kaffeesatz) finden wir in einem Bericht von Wissenschaftlern. Lass uns gehen.
Studienbasis
Wie ich bereits erwähnt habe, entstand diese Studie als Witz bei einer Tasse Morgenkaffee in der Labor-Cafeteria. Wissenschaftler wären jedoch keine Wissenschaftler, wenn sie nicht versucht hätten, so etwas umzusetzen, wenn auch auf den ersten Blick lächerlich.
Neben Koffein war das wichtigste experimentelle nicht eine einfache Fotozelle, sondern Perowskit.
Photocell * ist ein elektronisches Gerät zur Umwandlung von Photonenenergie (Sonnenlicht) in elektrische Energie.
Perowskit * ist ein seltenes Mineral von Calciumtitanat (CaTiO 3 ).
Eine Perowskit-Fotozelle basiert auf Materialien aus einem organisch-anorganischen Hybrid von Perowskithalogenid (nachstehend
PVSK ). PVSK ist ein echter Durchbruch in der Solarenergie, was durch Nutzungsstatistiken bestätigt wird: 3,8% im Jahr 2009 und 23,3% Ende 2018. Freuen Sie sich jedoch bisher nur unter Laborbedingungen über den Erfolg dieses Materials, da Probleme mit der Langzeitstabilität seine Verwendung bei der kommerziellen Herstellung von Solarzellen nicht zulassen. Beispielsweise können PVSKs auf der Basis von Cäsium (Cs) und Formamidinium (FA), die in der Forschung populär sind, hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften bei Raumtemperatur nicht normal arbeiten. Aber es kann PVSK auf Methylammonium (PV) -Basis sein.
Dies ist aber auch nicht so einfach: Das organische MA PVSK-Kation ist flüchtig, was zur raschen Zersetzung von PVSK und zur Ausfällung von trigonalem Bleiiodid (PbI
2 ) bei erhöhten Temperaturen führt.
Es gibt auch ein Problem mit den Ionen im PVSK. Die Forscher geben ein anschauliches Beispiel: I-Ionen können leicht durch polykristalline PVSK-Körner gelangen und über die PVSK-Schicht hinausgehen und dann unter dem Einfluss von Wärmeenergie auf eine Metallelektrode einwirken. Dies verursacht Defekte in Form von Abschnitten nicht strahlender Rekombination. Darüber hinaus können zufällig orientierte PVSK-Körner zu einem schwachen Ladungstransfer in vertikaler Richtung führen, was eine Folge des schnellen und unkontrollierten Wachstumsprozesses des PVSK-Films ist.
Laut Wissenschaftlern richtete sich die überwiegende Mehrheit der Arbeiten zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen auf PVSK-Basis auf die Geräte selbst, ihre Architektur und strukturelle Verbesserungen und nicht auf PVSK.
In derselben Studie verwendeten die Wissenschaftler 1,3,7-Trimethylxanthin, einen phantasievollen wissenschaftlichen Namen für Koffein (Lewis-Struktur und
1A -dreidimensionales Modell unten), auf PVSK auf der Basis von Methylammonium (MA). Unter Verwendung von Carboxylgruppen unter verschiedenen chemischen Bedingungen wurde Koffein zu einer Art „molekularem Gate“, das mit Pb
2+ -Ionen wechselwirkte und das Wachstum von PVSK-Kristallen verlangsamte. Zusätzlich konnte durch Erhöhen der Aktivierungsenergie die gewünschte Orientierung erreicht werden.
Infolgedessen war es möglich, eine ausgezeichnete Kristallinität von koffeinhaltigen PVSK-Filmen und eine geringere Defektdichte sowie einen besseren vertikalen Ladungstransfer zu erreichen. Und der erhaltene Leistungskoeffizient (COP) war für diese Technologie bisher 20,25% unvorstellbar. In Bezug auf die thermische Stabilität des Geräts gelang es den Wissenschaftlern, eine Stabilität bei einer Temperatur von 85 ° C für mehr als 1300 Stunden zu erreichen.
Dies sind wirklich hervorragende Ergebnisse, insbesondere angesichts der komischen Wurzeln dieser Studie. Schauen wir uns nun genauer an, was und wie es funktioniert hat.
Forschungsergebnisse
Bild Nr. 11B zeigt die Ergebnisse der Infrarotspektroskopie mit Fourier-Transformation von Koffein (blaue Linie), reinem MAPbI
3 (schwarze Linie) und MAPbI
3 mit Koffein (rote Linie). Die Streckschwingungen, die mit den beiden C = O-Bindungen in reinem Koffein zusammenhängen, treten bei 1,652 cm & supmin; ¹ und 1,699 cm & supmin; ¹ auf. Wenn dem MAPbI
3 -Film Koffein zugesetzt wurde, wurde eine Streckverschiebung von C = O mit einer niedrigeren Frequenz von 1,652 auf 1,657 cm & supmin; ¹ beobachtet, während der Schwingungsmodus C = O um 1,699 cm & supmin; ¹ seinen ursprünglichen Wert beibehält. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Koffein nach dem Tempern im MAPbI
3 -Film vorhanden ist und möglicherweise durch die Wechselwirkung zwischen Pb
2+ in PVSK und einer der C = O-Bindungen in Koffein ein Addukt mit MAPbI
3 gebildet hat.
Um die Wirkung von Koffein auf PVSK weiter zu bestätigen, führten die Wissenschaftler eine Spektroskopie des Addukts PbI
2 -MAI-DMSO-Koffein durch, das auch eine Verschiebungsverschiebung von C = O von 1652 auf 1643 cm
–1 (
1C ) zeigte.
Diese Beobachtungen bestätigen, dass die Wechselwirkung zwischen C = O in Koffein und Pb
2+ -Ionen ein molekulares Gate bildet, das die Aktivierungsenergie erhöht. Dies verlangsamt wiederum den PVSK-Kristallwachstumsprozess und verbessert die Gesamtkristallinität von PVSK-Filmen. Zusätzlich wird dieses molekulare Gate möglicherweise beim Erhitzen mit amorphisiertem PVSK interagieren, was eine thermische Zersetzung verhindern kann.
Bild Nr. 2Bild
2A ist ein Querschnitts-REM-Bild eines PVSK-Koffeinfilms. Änderungen in der Abschwächung der stationären Photolumineszenz (
2B ) und der Photolumineszenz mit zeitlicher Auflösung (
2C ) wurden durchgeführt, um die Qualität des Films und die Dynamik der Ladungsrekombination zu untersuchen. Die Photolumineszenzintensität des koffeinhaltigen PVSK-Films (schwarze Linien) war sechsmal höher als die von koffeinfreien Filmen (rote Linien). Es wurde auch eine Blauverschiebung von 770 auf 763 nm festgestellt, was erneut die Abnahme der Anzahl von Defekten während des Einbaus von Koffein in die Struktur des PVSK-Films bestätigt.
Anschließend wurde eine Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt, um die Kristallstruktur des auf einem Substrat aus Indium und Zinnoxid (
2D ) abgeschiedenen PVSK-Films zu untersuchen. Und für Filme mit und ohne Koffein wurde bei 12,5 kein Beugungspeak gefunden, was den (001) -Ebenen von hexagonalem PbI
2 entspricht . Beide Filme zeigten die gleiche tetragonale PVSK-Phase mit einer dominanten (110) Reflexion des Gitters bei 13,9, was eine hervorragende Orientierung für die untersuchten PVSK-Filme darstellt. Das Verhältnis der Peakintensität (110) bei 13,9 zur Peakintensität (222) bei 31,8 stieg von 2,00 auf 2,43, wenn Koffein zugesetzt wurde. Dies zeigt ein schnelleres Wachstum von (110) Körnern an, die zufällig orientierte Körner absorbieren.
Die Korngrößen wurden auch unter Verwendung der Scherrer-Formel und der Halbwertsbreite des (110) -Peaks gemessen. Mit der Einführung von Koffein stieg die Korngröße von 37,97 auf 55,99 nm.
2E zeigt uns eine graphische Darstellung des normalisierten Azimutwinkels entlang der (110) -Ebene von MAPbI
3 -Filmen ohne Koffein (rote Linie) und mit Koffein (schwarze Linie). In einem Winkel von 90 ° zeigt ein koffeinhaltiger Film einen ziemlich ausgeprägten Peak im Vergleich zu einem entkoffeinierten Gefangenen. Eine engere Halbwertsbreite deutet darauf hin, dass Koffein zum Wachstum von PVSK-Körnern entlang der Ebene beitrug, was den Ladungstransfer verbessert.
Anschließend führten die Wissenschaftler eine Analyse des transienten Photostroms (
TPC ) und der transienten Photovoltaikspannung (
TPV ) durch.
Die experimentellen Fotozellen wurden unter Berücksichtigung der planaren Spaltstruktur hergestellt, und Indiumzinnoxid (ITO) fungierte als Anode. Als Elektronentransportschicht wurden wiederum Zinnoxid-Nanopartikel verwendet. Sowohl reines MAPbI
3 als auch koffeinhaltiges MAPbI
3 fungierten als aktive Schicht. Die Rolle der Lochtransportschicht (Quasiteilchen mit positiver Ladung) spielte Poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amin] ([C
6 H
4 N (C
6 H
2 (CH
3 )
3 ) C
6 H
4 ]
n ) dotiert mit 4-Isopropyl-40-methyldiphenyliodoniumtetrakis (pentafluorphenyl) borat (C
40 H
18 BF
20 I). Für die Kathode wurde Silber (Ag) verwendet.
Bild Nr. 3Bild
3A zeigt JV-Kurven (Stromdichte, mA / cm
2 ) von Vorrichtungen, die auf reinem MAPbI
3 und MAPbI
3 / Koffein basieren, das unter Verwendung der künstlichen Sonne AM1.5G mit einer Intensität von 100 mW / cm
2 erhalten wurde . Der Prozentsatz des in das System eingebauten Koffeins lag zwischen 0 und 2% der Gesamtmasse.
Eine Erhöhung der Menge an eingebettetem Koffein auf 1% führte zu einer Erhöhung einiger Eigenschaften, nämlich: Leerlaufspannung (V
oc ), Kurzschlussstrom (J
sc ), Arbeitszyklus (FF) und Reproduzierbarkeit.
Die maximale Effizienz (PCE in der folgenden Tabelle) von reinem (koffeinfreiem) MAPbI
3 betrug 17,59% (V
oc : 1,074 V, J
sc : 22,29 mA / cm
2 , FF: 73,46%). Wenn sich jedoch 1% Koffein im System befindet, stieg der Effizienzindex auf 20,25% (V
oc : 1,143 V, J
sc : 22,97 mA / cm
2 , FF: 77,13%).
Wissenschaftler führen die Zunahme von V
oc und FF auf eine Abnahme der nicht strahlenden Rekombination und der kristallinen Defekte zurück, die auf die Passivierung aufgrund des Einbaus von Koffein in das System zurückzuführen ist. Der Parameter J
Sc stieg ebenfalls von 22,29 auf 22,97 mA / cm² (Grafik
3B ).
Für eine detailliertere Untersuchung der Wirkung von Koffein auf die Systemleistung führten die Wissenschaftler eine vergleichende Analyse der Kinetik des Ladungstransfers und der Ladungsrekombination von Solarzellen mit und ohne Koffein durch. Die Analyse zeigte (
3C ), dass die Lebensdauer der Ladungsrekombination (t
r ) eines Geräts mit Koffein (285 ms) signifikant länger war als ohne Koffein (157 ms). Daraus folgt, dass die Defektkonzentration viel geringer ist. In diesem Fall verringerte sich die Ladungsübertragungszeit (t
t ), wenn der Vorrichtung Koffein zugesetzt wurde, von 2,67 auf 2,08 ms.
Tabelle der Indikatoren in Abhängigkeit von der Koffeinkonzentration.Um die Wirkung des molekularen Verschlusses von Koffein in Solarzellen während des Prozesses der thermischen Zersetzung zu bestätigen, führten die Wissenschaftler einen Test auf Beständigkeit gegen konstante thermische Belastungen durch: 85 ° C in einem Stickstoffmedium.
Die koffeinhaltige Vorrichtung zeigte eine ausgezeichnete thermische Stabilität und behielt nach 1300 Stunden 86% der ursprünglichen Effizienz bei. Die entkoffeinierte Vorrichtung behielt jedoch unter den gleichen Bedingungen nur 60% des primären Wirkungsgrads bei. Wissenschaftler führen dies auf Ionenmigration, schlechte Kristallisation und Phaseninstabilität von reinem MAPbI
3 bei hohen Temperaturen zurück.
Bild Nr. 4Die Wissenschaftler mussten die Wirkung von Koffein auf die Funktion von Solarzellen im Hinblick auf Ionenmigration und Phasenzersetzung genauer verstehen. Hierzu wurde nach thermischen Stabilitätstests eine Röntgenbeugungsanalyse (
4B ) der Geräte durchgeführt.
Die koffeinfreie Vorrichtung zeigte bei 12,5 einen ziemlich großen Peak, der mit der (001) -Ebene von hexagonalem PbI
2 assoziiert war. Eine sehr schwache Beugung bei 13,9 impliziert einen vollständigen Abbau des PVSK-Kristalls. Es wurde jedoch eine relativ starke Beugung von 38,5 relativ zur (003) -Ebene von PbI
2 beobachtet .
Wie bereits erwähnt, sollte die sehr gute Kristallinität von PVSK aufgrund der Zugabe von Koffein die Migration von Ionen während des Erhitzens verhindern. Eine thermogravimetrische Analyse von Koffein und Addukt wurde durchgeführt, um die Phasenstabilität und die thermischen Eigenschaften von Koffein und der Zwischenphase des Addukts festzustellen. Die Diagramme
4C und
4D zeigen den Massenverlust und den Wärmefluss von Koffein, reinem PVSK und PVSK + Koffein.
Die Analyse zeigte, dass sich Koffein bei einer Temperatur von etwa 285 ° C vollständig zersetzt, während es bei Temperaturen unter 200 ° C eine ausgezeichnete thermische Stabilität zeigte. In Grafik 4C sehen wir drei Stufen des Massenverlusts von reinem PVSK: 70 ° C, 340 ° C und 460 ° C. Dies ist auf die Sublimation von DMSO, MAI bzw. PbI
2 zurückzuführen . Die Sublimationstemperatur von MAI und PbI
2 für PVSK + Koffein war signifikant höher, was auf den Bedarf an mehr Energie hinweist, um die Bindung zwischen Koffein und PVSK zu lösen. Diese Aussage wird durch eine Analyse der Wärmeflüsse (
4D ) gestützt. Somit bildet die Bindung zwischen Koffein und PVSK ein molekulares Gate, das die Geschwindigkeit der Zerfallsaktivierungsenergie erhöht, die während des Erhitzens benötigt wird.
Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht von Wissenschaftlern und
zusätzliche Materialien dazu ansehen.
Nachwort
Diese Studie zeigte, dass die Einführung von Koffein in PVSK-Materialien es ermöglicht, photoelektrische Zellen mit hoher Effizienz zu erhalten, die Ionenmigration zu verringern, die Anzahl der Defekte zu verringern und die thermische Stabilität zu verbessern. Die Verwendung von PVSK-Materialien begann vor nicht allzu langer Zeit, gilt aber bereits als der vielversprechendste Zweig der Solarenergie. Dies bedeutet, dass alle Aspekte dieser Technologie verbessert werden müssen, wenn Geräte mit hoher Leistung zu geringen Kosten hergestellt werden sollen. Diese Arbeit bezieht sich nur auf Forschung, die genau darauf abzielt.
Die Verwendung von Koffein bei der Entwicklung von Solarzellen klingt wie ein Witz, es war ein Witz bei einer Tasse Kaffee am Morgen im Labor. Aber Witze sind schlecht mit Wissenschaftlern, und jede, selbst die seltsamste Idee, kann ein hervorragendes Ergebnis liefern, wenn Sie Wissen, Einfallsreichtum und ein wenig kreativen Ansatz anwenden.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs.
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