Kopi surya: meningkatkan efisiensi sel surya akibat kafein

Pagi mulai keras, terutama jika Anda bangun jam setengah lima. Di luar jendela, hujan turun, bersembunyi di bawah payung, wajah-wajah beberapa burung hantu berlari untuk bekerja, dan burung hantu kembali ke rumah dengan langkah-langkah yang terukur. Jam alarm, yang merupakan buih secara alami, berlanjut dengan keakuratan bawaannya untuk berdering untuk ketiga kalinya. Dan untuk beberapa alasan, mulai terlihat bahwa dia melakukan ini dengan jengkel dan celaan. Mengamati aturan sinyal arloji malam ketiga dari Game of Thrones, Anda harus bangun dari tempat tidur pada panggilan ketiga dan, seperti pejalan kaki putih, berjalan menuju dapur. Ketel, cangkir, gula, kopi. Itu saja, pagi itu secara resmi dimulai.

Esai singkat ini jelas menyampaikan rutinitas pagi banyak dari kita. Dan atribut utamanya adalah kopi, yang tanpanya di pagi hari terkadang sulit untuk mengingat kehadiran otak dalam tempurung kepala. Efek menyegarkan kopi adalah hasil dari efek psikostimulasi kafein. Apa yang saya bicarakan, sekelompok ilmuwan, untuk bersenang-senang, memutuskan untuk menggunakan kafein untuk meningkatkan fotosel. Dan seperti yang kita ketahui, dalam setiap lelucon ada beberapa kebenaran, karena ide lucu ini memberikan hasil yang luar biasa dalam praktik. Bagaimana kafein diimplementasikan dalam fotosel, indikator apa yang bisa ditingkatkan, dan berapa peningkatan seperti itu dibenarkan? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain (tidak, tidak di ampas kopi) dalam laporan oleh para ilmuwan. Ayo pergi.

Dasar studi

Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, penelitian ini benar-benar berasal dari lelucon tentang secangkir kopi pagi di kafetaria laboratorium. Namun, para ilmuwan tidak akan menjadi ilmuwan jika mereka tidak mencoba menerapkan sesuatu seperti itu, meskipun pada pandangan pertama konyol.

Selain kafein, eksperimen utama bukan fotosel sederhana, tetapi perovskit.

Photocell * adalah perangkat elektronik untuk mengubah energi foton (sinar matahari) menjadi energi listrik.

Perovskite * adalah mineral langka kalsium titanate (CaTiO ₃ ).

Fotosel perovskit didasarkan pada bahan dari hibrid organik-anorganik perovskit halida (selanjutnya disebut PVSK ). PVSK adalah terobosan nyata dalam energi surya, yang dikonfirmasi oleh statistik penggunaan: 3,8% pada 2009 dan 23,3% pada akhir 2018. Namun, bersukacita atas keberhasilan bahan ini sejauh ini hanya dalam kondisi laboratorium, karena masalah dengan stabilitas jangka panjang tidak memungkinkan penggunaannya dalam produksi komersial sel surya. Misalnya, PVSK berdasarkan cesium (Cs) dan formamidinium (FA), populer dalam penelitian, tidak dapat bekerja secara normal pada suhu kamar dalam hal sifat termodinamika. Tetapi dapat metil amonium (PV) berbasis PVSK.

Tetapi ini juga tidak sesederhana itu: kation organik MA PVSK mudah menguap, yang menghasilkan dekomposisi PVSK yang cepat dan pengendapan iodida timbal trigonal (PbI ₂ ) pada suhu tinggi.

Ada juga masalah dengan ion di dalam PVSK. Para peneliti memberikan contoh nyata: ion I ^- dapat dengan mudah melewati butiran polikristalin dari PVSK dan melampaui lapisan PVSK, dan kemudian bertindak pada elektroda logam di bawah pengaruh energi panas. Ini menyebabkan cacat dalam bentuk bagian-bagian dari rekombinasi non-radiatif. Selain itu, butiran PVSK yang berorientasi acak dapat menyebabkan transfer muatan yang lemah ke arah vertikal, yang merupakan konsekuensi dari proses pertumbuhan cepat dan tidak terkendali dari film PVSK.

Menurut para ilmuwan, sebagian besar pekerjaan pada peningkatan kinerja sel surya berbasis PVSK ditujukan pada perangkat itu sendiri, arsitektur dan perbaikan struktural, dan bukan pada PVSK.

Dalam studi yang sama, para ilmuwan menerapkan 1,3,7-trimethyl-xanthine, nama ilmiah yang fantastis untuk kafein (struktur Lewis dan 1A model tiga dimensi di bawah) untuk PVSK berdasarkan metil amonium (MA). Menggunakan gugus karboksil dalam berbagai kondisi kimia, kafein menjadi semacam "gerbang molekul" yang berinteraksi dengan ^ion Pb ²⁺ , memperlambat pertumbuhan kristal PVSK. Selain itu, dimungkinkan untuk mencapai orientasi yang diinginkan dengan meningkatkan energi aktivasi.

Sebagai hasilnya, dimungkinkan untuk mencapai kristalinitas yang sangat baik dari film PVSK berkafein dan kepadatan cacat yang lebih rendah, serta transfer biaya vertikal yang lebih baik. Dan koefisien kinerja yang diperoleh (COP) sebelumnya tidak terbayangkan untuk teknologi ini 20,25%. Sedangkan untuk stabilitas termal perangkat, para ilmuwan berhasil mencapai stabilitas pada suhu 85 ° C selama lebih dari 1.300 jam.

Ini adalah hasil yang sangat baik, terutama mengingat akar komik penelitian ini. Sekarang mari kita melihat lebih dekat apa dan bagaimana cara kerjanya.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Gambar 1B menunjukkan hasil spektroskopi inframerah dengan transformasi Fourier dari kafein (garis biru), MAPbI ₃ murni (garis hitam) dan MAPbI ₃ dengan kafein (garis merah). Getaran peregangan terkait dengan dua ikatan C = O dalam kafein murni muncul pada 1,652 cm ^-1 dan 1,699 cm ^-1 . Ketika kafein ditambahkan ke film MAPbI ₃ , pergeseran peregangan C = O diamati dengan frekuensi yang lebih rendah dari 1,652 ke 1,657 cm ^-1 , sedangkan mode getaran C = O sebesar 1,699 cm ^-1 mempertahankan nilai aslinya. Ini merupakan indikasi bahwa kafein hadir dalam film MAPbI ₃ setelah anil dan mungkin telah membentuk aduk dengan MAPbI ₃ melalui interaksi antara Pb ²⁺ dalam PVSK dan salah satu ikatan C = O dalam kafein.

Untuk lebih mengkonfirmasikan efek kafein pada PVSK, para ilmuwan melakukan spektroskopi aduk PbI ₂ -MAI-DMSO-kafein, yang juga menunjukkan pergeseran perpindahan C = O dari 1652 ke 1643 cm ^-1 ( 1C ).

Pengamatan ini mengkonfirmasi bahwa interaksi antara C = O dalam kafein dan ^ion Pb ²⁺ membentuk gerbang molekul yang meningkatkan energi aktivasi. Dan ini, pada gilirannya, memperlambat proses pertumbuhan kristal PVSK, meningkatkan kristalinitas keseluruhan film PVSK. Selain itu, gerbang molekuler ini mungkin akan berinteraksi dengan PVSK amorf pada pemanasan, yang dapat mencegah dekomposisi termal.


Gambar No. 2

Gambar 2A adalah gambar SEM cross-sectional dari film kafein PVSK. Perubahan atenuasi photoluminescence stasioner ( 2B ) dan photoluminescence ( 2C ) yang diselesaikan waktu dilakukan untuk mempelajari kualitas film dan dinamika rekombinasi biaya. Intensitas fotoluminesen dari film PVSK berkafein (garis hitam) adalah 6 kali lebih tinggi daripada film bebas kafein (garis merah). Pergeseran biru dari 770 ke 763 nm juga dicatat, yang sekali lagi menegaskan penurunan jumlah cacat selama penggabungan kafein ke dalam struktur film PVSK.

Kemudian, analisis difraksi sinar-X dilakukan untuk mempelajari struktur kristal dari film PVSK yang diendapkan pada substrat indium dan timah oksida ( 2D ). Dan untuk film dengan dan tanpa kafein, tidak ada puncak difraksi yang ditemukan pada 12,5, yang sesuai dengan bidang (001) heksagonal PbI ₂ . Kedua film menunjukkan fase PVSK tetragonal yang sama dengan refleksi dominan (110) dari kisi pada 13,9, yang merupakan orientasi yang sangat baik untuk film-film PVSK yang diteliti. Rasio intensitas puncak (110) pada 13,9 ke intensitas puncak (222) pada 31,8 meningkat dari 2,00 menjadi 2,43 ketika kafein ditambahkan. Ini menunjukkan pertumbuhan lebih cepat (110) butir yang menyerap butiran berorientasi acak.

Ukuran butir juga diukur menggunakan rumus Scherrer dan setengah lebar puncak (110). Dengan diperkenalkannya kafein, ukuran butir meningkat dari 37,97 menjadi 55,99 nm.

Gambar 2E menunjukkan kepada kita grafik sudut azimut yang dinormalisasi sepanjang bidang (110) film MAPbI ₃ tanpa kafein (garis merah) dan dengan kafein (garis hitam). Pada sudut 90 °, film berkafein menunjukkan puncak yang cukup jelas dibandingkan dengan tawanan tanpa kafein. Setengah lebar yang lebih sempit menunjukkan bahwa kafein berkontribusi pada pertumbuhan butir PVSK di sepanjang bidang, yang meningkatkan transfer muatan.

Para ilmuwan kemudian melakukan analisis transient photocurrent ( TPC ) dan transient photovoltaic voltage ( TPV ).

Fotosel eksperimental dibuat dengan mempertimbangkan struktur nip planar, dan indium tin oxide (ITO) bertindak sebagai anoda. Pada gilirannya, nanopartikel timah oksida digunakan sebagai lapisan transpor elektron. Baik MAPbI ₃ murni dan MAPbI _{3 yang} mengandung kafein bertindak sebagai lapisan aktif. Peran lapisan transport lubang (quasipartikel dengan muatan positif) dimainkan oleh poli [bis (4-fenil) (2,4,6-trimetilfenil) amina] ([C ₆ H ₄ N (C ₆ H ₂ (CH ₃ ) ₃ ) C ₆ H ₄ ] _n ) didoping dengan 4-isopropyl-40-methyldiphenyl-iodonium tetrakis (pentafluorophenyl) borat (C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I). Perak (Ag) digunakan untuk katoda.


Gambar No. 3

Gambar 3A menunjukkan kurva JV (kepadatan saat ini, mA / cm ² ) perangkat berdasarkan MAPbI ₃ murni dan MAPbI ₃ / kafein yang diperoleh menggunakan matahari buatan AM1.5G dengan intensitas 100 mW / cm ² . Persentase kafein yang dimasukkan ke dalam sistem berkisar antara 0 hingga 2% dari total massa.

Peningkatan jumlah kafein yang diperkenalkan ke 1% menyebabkan peningkatan dalam beberapa karakteristik, yaitu: tegangan rangkaian terbuka (V _oc ), arus hubung singkat ( _Jc ), siklus kerja (FF), dan reproduktifitas.

Efisiensi maksimum (PCE dalam tabel di bawah) MAPbI ₃ murni (bebas kafein) adalah 17,59% (V _oc : 1,074 V, J _sc : 22,29 mA / cm ² , FF: 73,46%). Tetapi ketika ada 1% kafein dalam sistem, indeks efisiensi meningkat menjadi 20,25% (V _oc : 1,143 V, J _sc : 22,97 mA / cm ² , FF: 77,13%).

Para ilmuwan menghubungkan peningkatan V _oc dan FF dengan penurunan rekombinasi non-radiatif dan cacat kristal, yang merupakan hasil dari pasif karena penggabungan kafein ke dalam sistem. Parameter J _Sc juga meningkat dari 22,29 menjadi 22,97 mA / cm ² (grafik 3B ).

Untuk studi yang lebih rinci tentang efek kafein pada kinerja sistem, para ilmuwan melakukan analisis komparatif dari kinetika transfer muatan dan rekombinasi muatan sel surya dengan dan tanpa kafein. Analisis menunjukkan ( 3C ) bahwa masa pakai rekombinasi muatan (t _r ) perangkat dengan kafein (285 ms) secara signifikan lebih lama daripada tanpa kafein (157 ms). Karena itu konsentrasi cacat jauh lebih rendah. Dalam hal ini, waktu transfer pengisian (t _t ) ketika kafein ditambahkan ke perangkat berkurang dari 2,67 menjadi 2,08 ms.


Daftar indikator tergantung pada konsentrasi kafein.

Untuk mengkonfirmasi efek rana molekul kafein dalam fotosel selama proses dekomposisi termal, para ilmuwan melakukan tes untuk ketahanan terhadap beban termal konstan: 85 ° C dalam media nitrogen.

Perangkat berkafein menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik, mempertahankan 86% dari efisiensi asli setelah 1300 jam. Tetapi perangkat tanpa kafein dalam kondisi yang sama hanya mempertahankan 60% dari efisiensi utama. Para ilmuwan menghubungkan ini dengan migrasi ion, kristalisasi yang buruk, dan ketidakstabilan fase MAPbI ₃ murni pada suhu tinggi.


Gambar No. 4

Para ilmuwan perlu memahami secara lebih rinci efek kafein pada fungsi sel surya dalam hal migrasi ion dan dekomposisi fase. Untuk ini, analisis difraksi sinar-X ( 4B ) dari perangkat dilakukan setelah tes stabilitas termal.

Perangkat bebas kafein menunjukkan puncak yang cukup besar pada 12,5, terkait dengan bidang (001) heksagonal PbI ₂ . Difraksi sangat lemah pada 13,9 menyiratkan degradasi lengkap kristal PVSK. Tetapi difraksi yang relatif kuat yaitu 38,5 diamati relatif terhadap bidang (003) PbI ₂ .

Seperti disebutkan sebelumnya, kristalinitas PVSK yang sangat baik karena penambahan kafein harus mencegah migrasi ion selama pemanasan. Analisis termogravimetri dari kafein dan aduk dilakukan untuk menentukan stabilitas fase dan sifat termal dari kafein dan fase antara aduk tersebut. Grafik 4C dan 4D menunjukkan kehilangan massa dan fluks panas kafein, PVSK murni, dan kafein + PVSK.

Analisis menunjukkan bahwa kafein benar-benar terurai pada suhu sekitar 285 ° C, sementara itu menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik pada suhu di bawah 200 ° C. Pada grafik 4C kita dapat melihat tiga tahap kehilangan massa PVSK murni: 70 ° C, 340 ° C dan 460 ° C. Ini disebabkan oleh sublimasi DMSO, MAI, dan PbI ₂ . Suhu sublimasi MAI dan PbI ₂ untuk PVSK + kafein secara signifikan lebih tinggi, menunjukkan perlunya lebih banyak energi untuk memutus ikatan antara kafein dan PVSK. Pernyataan ini didukung oleh analisis fluks panas ( 4D ). Dengan demikian, ikatan antara kafein dan PVSK membentuk gerbang molekul, yang meningkatkan tingkat energi aktivasi peluruhan yang diperlukan selama pemanasan.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan - bahan tambahan untuknya.

Epilog

Studi ini menunjukkan bahwa pengenalan kafein dalam bahan PVSK memungkinkan untuk mendapatkan sel fotoelektrik dengan efisiensi tinggi, mengurangi migrasi ion, mengurangi jumlah cacat dan meningkatkan stabilitas termal. Penggunaan material PVSK dimulai belum lama ini, tetapi sudah dianggap sebagai cabang energi surya yang paling menjanjikan. Dan ini berarti perlu untuk meningkatkan semua aspek teknologi ini jika kita ingin mendapatkan perangkat yang akan memiliki kinerja tinggi dengan biaya rendah. Karya ini hanya berkaitan dengan penelitian yang ditujukan tepat pada ini.

Menggunakan kafein dalam pengembangan sel surya terdengar seperti lelucon, itu adalah lelucon tentang secangkir kopi di pagi hari di laboratorium. Tapi lelucon itu buruk bagi para ilmuwan, dan siapa pun, bahkan gagasan yang paling aneh sekalipun, dapat memberikan hasil yang luar biasa jika Anda menerapkan pengetahuan, kecerdikan, dan sedikit pendekatan kreatif.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?