Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Gök Gürültülü

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

19.10.2020
284
Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ve Knoxville’deki Tennessee Üniversitesi tarafından yürütülen, parlak bir geleceği olan bir güneş enerjisi malzemesi üzerinde yapılan bir çalışma, ısı taşıyan fononları, dalgaları yavaşlatmanın bir yolunu ortaya çıkardı.

Keşif, enerjiyi ısıya kaybetmeden önce güneş ışığını geleneksel güneş pillerinden daha verimli bir şekilde elektriğe dönüştürmek için fotojenik yük taşıyıcıları kullanan yeni sıcak taşıyıcı güneş pilleri geliştirebilir.

ORNL’den Michael Manley, “Termal taşıma ve yük taşıyıcı soğutma süresinin, fotovoltaik bir malzemedeki hidrojen atomlarının kütlesini değiştirerek değiştirilebileceğini gösterdik” dedi. “Yük taşıyıcılarının ömrünü uzatmaya yönelik bu rota, yeni sıcak taşıyıcı güneş pillerinde rekor seviyelerde güneşten elektriğe dönüşüm verimliliği elde etmek için yeni stratejileri engelliyor.”

UT’den Mahshid Ahmadi, “Organik molekül dinamiklerini ayarlamak, organometalik perovskitlerde termal iletkenlik için önemli olan fononların kontrolünü sağlayabilir” diyor. Bu yarı iletken malzemeler, fotovoltaik uygulamalar için ümit vericidir.

Manley ve Ahmadi, Science Advances dergisinde yayınlanan çalışmayı tasarladı ve yönetti. Malzeme sentezi, nötron saçılması, lazer spektroskopisi ve yoğunlaştırılmış madde teorisindeki uzmanlar, bir organometalik perovskitte daha hafif bir izotopu daha ağır bir izotopu ile değiştirerek israflı yük soğutmasını önlemenin bir yolunu keşfettiler.

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Güneş ışığı bir güneş piline çarptığında, fotonlar bir soğurucu malzemede yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) oluşturur. Sıcak taşıyıcı güneş pilleri, yük taşıyıcılarının enerjisini atık ısı olarak kaybolmadan önce hızla elektriğe dönüştürür.

Isı kaybını önlemek, geleneksel güneş pillerinden iki kat daha verimli olma potansiyeline sahip bu güneş pilleri için büyük bir zorluktur.

Geleneksel perovskit güneş pillerinin dönüşüm verimliliği 2009’da% 3’ten 2020’de% 25’in üzerine çıktı. İyi tasarlanmış bir sıcak taşıyıcı cihaz,% 66’ya yaklaşan teorik bir dönüşüm verimliliği sağlayabilir.

Araştırmacılar, perovskit emici bir malzeme olan metilamonyum kurşun iyodürü inceledi. Kafesinde atomların kütlesel uyarılması titreşimler yaratır. Birbiriyle eşzamanlı olarak hareket eden titreşimler akustik fononlardır, eşzamanlı olmayanlar ise optik fononlardır.

ORNL’nin ortak yazarı Raphael Hermann, “Tipik olarak, yük taşıyıcıları ısısını akustik fononlardan daha yavaş yayılan optik fononlara kaybederler,” diye açıklıyor. “Ardından, optik fononlar bu enerjiyi taşıyan akustik fononlarla etkileşime giriyor.”

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Bununla birlikte, “sıcak fonon darboğazı” olarak adlandırılan bir bölgede, egzotik fizik elektronların ısıyı taşıyan kütle titreşimlerine enerjilerini kaybetmelerini önler. Bir fotovoltaik perovskitte bu etkiyi güçlendirmek için, araştırmacılar eylemsizliği, bir nesnenin istirahatte veya hareket halinde yaptığı şeyi yapmaya devam etme eğilimini kullandılar.

Hermann, “Dönen bir buz patencisini ellerine ağırlık vererek yavaşlatmaya benzer şekilde, moleküllerin ne kadar hızlı sallanabileceğini temelde yavaşlattık” dedi.

Bunu normal bir atom kafesinde yapmak için, Ahmadi ve ORNL’den Kunlun Hong, ORNL’deki DOE Office of Science Kullanıcı Tesisi olan Nanophase Materials Science Center’da metilamonyum kurşun iyodür kristallerinin sentezini yönetti.

Perovskit, metilamonyum veya MA’nın merkezi organik molekülünde, daha hafif bir hidrojen izotopunu, normal olarak oluşturulmuş ve nötron içermeyen protium olan daha ağır bir nötron içeren döteryum ile değiştirdiler. İzotoplar, nötron sayısındaki farklılık nedeniyle yalnızca kütle olarak farklılık gösteren kimyasal olarak özdeş atomlardır.

Daha sonra, Manley ve Hermann, ORNL’den Songxue Chi ile birlikte, protonlanmış ve döteryumlanmış kristallerdeki fonon dağılımını haritalamak için bir DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Yüksek Akı İzotop Reaktörü olan ORNL’de üç eksenli nötron saçılma deneyleri gerçekleştirdi.

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

ORNL’deki başka bir DOE Office of Science Kullanıcı Tesisi olan Spallation Neutron Source’ta, ölçümleri ile esnek olmayan X-ışını ölçümlerinden yayınlanan veriler arasında bir tutarsızlık gördükleri için ek ölçümler yaptılar. Orada, ORNL’den Luke Daemen, tüm olası titreşim enerjilerini ortaya çıkarmak için VISION titreşim spektrometresini kullandı.

Birleşik sonuçlar, kısa dalga boylu uzunlamasına akustik modların döteryumlanmış numunede daha yavaş yayıldığını gösterdi ve bu da termal iletkenliğin azaltılabileceğini düşündürdü.

ORNL’den Hsin Wang, ısının kristallerde nasıl hareket ettiğini araştırmak için termal difüzyon ölçümleri aldı. Manley, “Bu ölçümler bize döteryumun zaten düşük olan termal iletkenliği% 50 azalttığını söyledi” dedi. “Daha sonra, bu bulgunun güneş cihazı üreticilerinin ilgilendiklerini etkilediğini fark ettik – özellikle şarj taşıyıcılarını sıcak tutmak.

Çalışma, atomik kütle artışının ısı transferi üzerindeki etkisine dair benzeri görülmemiş bir anlayış sağladı.

Daemen, “Hidrojen atomları için germe modları gibi birçok titreşim, o kadar yüksek frekanslara sahiptir ki normalde kristalin daha düşük enerjili titreşimleriyle etkileşime girmezler” dedi. Düşük enerji modları, moleküllerin sallanmasını içerir.

Organik MA molekülünün salınım frekansı, toplu titreşimlerin frekansından biraz daha yüksektir. Bununla birlikte, bir döteryum atomu daha hafif bir hidrojen izotopunun yerini aldığında, daha büyük kütlesi MA’nın sallanmasını yavaşlatır.

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Kolektif titreşimlere daha yakın bir frekansta yalpalar ve ikisi etkileşime girmeye ve sonra güçlü bir şekilde çiftleşmeye başlar. Senkronize fononlar yavaşlar ve ısıyı gidermede daha az etkili hale gelir.

Hermann, frekansı, babası onu sallanmaya ittiğinde bir çocuğun yaptığı farklı davranışlarla karşılaştırdı. “Protonlanmış durum, çocuğun bacaklarını çok hızlı hareket ettirmesi gibi, babası iterken senkronize olamayacak kadar hızlı.

Daha yükseğe çıkmayacak. Ama bacaklarını salınımla yaklaşık aynı frekansta hareket ettirmeye başlarsa, bu deuterated bir vaka gibidir. Çocuk bacaklarını yeterince yavaşlattı, böylece ivme ekleyerek salınımla senkronize olmaya başladılar. İki hareket birbirine bağlı olduğu için daha yükseğe çıkabilir. “

ORNL ölçümleri, hidrojen kütlesini değiştirmekten bekleneni çok aşan bir etki ortaya çıkardı: Deuterasyon, ısı transferini o kadar yavaşlattı ki, yük taşıyıcı soğutma süresi iki katına çıktı.

Bu bulguyu doğrulamak için ORNL ortak yazarı Chengyun Hua, saniyenin katrilyonda biri kadar küçük zaman ölçeklerinde döteryumlanmış ve protonlanmış perovskitlerdeki elektronların enerji dağılımını ölçmek için pompa-prob lazer deneyleri kullandı.

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Hua, “Bu ölçümler, fononlarda ve termal iletkenlikte ağır izotop kaynaklı büyük değişikliklerin, foto-uyarılan elektronlar için daha yavaş bir gevşeme süresine dönüştüğünü doğruladı” dedi. “Bu, fotovoltaik özelliklerin iyileştirilmesinde önemli bir faktördür.”

Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’de çalışan Mark Asta, ortak yazarlar Yao Cai ve ayrıca DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda fonon davranışının karmaşıklığını anlamak için teoriye dayalı hesaplamalar yaptı.

ORNL-UT liderliğindeki çalışmada yapılan keşif, gelecekteki sıcak taşıyıcı güneş pili üreticileri için parlak bir nokta sağlayabilir.

Manley, “Fononlar, döndürmek için oldukça etkili bir düğme gibi görünüyor ve düğmeyi nasıl çevireceğimizi biliyoruz,” dedi. “Malzemeleri iyileştirmek istediğinizde, bir molekül, metilamonyum veya başka bir şey ekleyebilirsiniz. Bulgu, geliştiricilerin kristallerini nasıl büyüteceklerine dair kararlarını bilgilendirebilir. “

Ahmadi, “Bu bilgiler, optik sensörler ve iletişim cihazları gibi fotovoltaiklerin ötesinde uygulamalar için malzeme tasarımına rehberlik etmek için kullanılabilir” dedi.

Makalenin başlığı “Metilamonyum kurşun iyodürde fonon dispersiyonu ve ısıl iletkenlik üzerindeki dev izotop etkisi” dir.

Isıyı Ortadan Kaldıran Titreşimleri Önleyerek Yeni Nesil Güneş Pillerinin Verimliliğini Arttırmak

Referans: ME Manley, K. Hong, P. Yin, S. Chi, Y. Cai, C. Hua, LL Daemen, RP Hermann, H. Wang “Metilamonyum kurşun iyodürde fonon dispersiyonu ve termal iletkenlik üzerindeki dev izotop etkisi”, AF May, M. Asta ve M. Ahmadi, 31 Temmuz 2020, Science Advances.

DOE Bilim Ofisi, DOE Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi, Araç Teknolojisi Ofisi ve ABD İç Güvenlik Bakanlığı araştırmayı destekledi.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.