Hogyan befolyásolják az anyagszerkezetek a napelemes rendszerek teljesítményét?

A perovszkites napelemek és az azokban használt különböző anyagok elektromos és optikai tulajdonságai meghatározzák azok hatékonyságát és teljesítményét. Az elektrontranszport rétegek (ETL) és a perovszkit/HTL interfész közötti töltésvisszaesés és kapacitás kulcsfontosságú tényezők a rendszer működésében. Az új, TOCN alapú napelem esetében a soros ellenállás (Rs) csökkent, míg a recombinációs ellenállás (Rrec) növekedett a TO alapú napelemekhez képest, ami javította a töltésátvitelt és csökkentette a töltésvisszaesést a TOCN/perovszkit/spiro-OMeTAD interfészeknél. Ez közvetlenül hozzájárult a javuló Jsc (áram sűrűség) értékhez. A töltés szétválasztásának fokozása érdekében a TOCN réteg előnyben részesíti az elektronok és lyukak elválasztását, ami növeli a napenergia-átalakítási hatékonyságot.

A különböző heteroszerkezetek, mint például a M2CO2/MoX2 (ahol M = Hf, Zr és MoX2 = MoS2, MoSe2), egyre nagyobb figyelmet kaptak a napelemes és fotovoltaikus alkalmazásokban. Ezen anyagok összeolvadásával elérhető a típusú II-es sávstruktúrák, amelyek javítják az elektron-lyuk rekombinációt és fokozzák a fénykatalitikus aktivitást. Az M2CO2/MoX2 heteroszerkezetek így jobb bandgap értékeket biztosítanak, és lehetővé teszik a napfény szélesebb spektrumú elnyelését, különösen az UV-visibilis tartományban. Az ilyen típusú heteroszerkezetek különösen ígéretesek a jövő napelemes alkalmazásai szempontjából, mivel a fényelnyelési képességek növelésével optimalizálható a rendszerek hatékonysága.

Egy új fejlesztés az organikus napelemek és a polipirrol alapú szuperkondenzátorok kombinációja, melyek lehetővé teszik a napenergia közvetlen tárolását. Emellett a napelemek és szuperkondenzátorok sorba kötése lehetőséget ad arra, hogy a két különböző energiaátalakító és -tároló rendszert egyesítve hatékonyan használjuk a napenergiát, mind energiatermelésre, mind tárolásra. Ez az innovatív megközelítés elkerüli a hagyományos, különálló energiaátalakító és tároló rendszerek alkalmazását, és integrált megoldást kínál.

A fotoaktív tárolórendszerek, beleértve a foto-szuperkondenzátorokat és foto-rechargeable akkumulátorokat, már a kutatások előterében állnak. A fotoanód, a szembeléptető elektróda és a töltéstároló elektróda révén a fény hatására keletkező elektron-lyuk párok tárolhatók, és a készülék töltődése során az elektronok átkerülnek a tároló elektródára. A különböző elektrokémiai folyamatok, amelyek a szuperkondenzátorokban és akkumulátorokban zajlanak, bár eltérnek, hasonló elveken alapulnak. A jövő energiatároló rendszerei számára egyre fontosabbá válik a különböző energiaátalakítók és tárolók kombinációja, amelyeket a fényenergia közvetlen tárolására és hasznosítására terveznek.

Hogyan készíthetünk grafén kvantumpontokat különböző szintetikus módszerekkel és miért fontosak a napenergiában való alkalmazásuk?

A grafén kvantumpontok (GQD-k) előállításának különböző módszerei között szerepelnek az elektrokémiai oxidáció, a hidrotermikus szintézis, a molekuláris karbonizáció, valamint a vízben oldódó grafén filmek alkalmazása is. Mindezek a folyamatok különböző előnyöket és hátrányokat kínálnak, és bár a GQD-k előállítása bizonyos módszerek esetében hosszú időt vesz igénybe, az eredmények rendkívül ígéretesek a nanotechnológiai és energetikai alkalmazásokban.

A másik elterjedt eljárás a hidrotermikus szintézis, amely a fenil-alkil molekulák kontrollált szintetikus reakcióján alapul, és magas szintű homogenitást biztosít a létrejövő GQD-kben. Azonban a hosszú feldolgozási idő és az alacsony hozam akadályozza ezt a módszert a kereskedelmi alkalmazásokban. A folyamatos hidrotermikus szintézis, amely magas hőmérsékleten és rövidebb idő alatt történik, újabb alternatívát kínál, bár ez inkább a szén kvantumpontok előállítására jellemző, nem pedig a grafén kvantumpontokéra.

Az egyszerűbb, egy lépéses molekuláris karbonizációs eljárás a legolcsóbb módszer a GQD-k előállítására. Ebben a folyamatban a szénforrást magas hőmérsékleten karbonizálják, hogy egy kondenzációs reakciót indukáljanak, amely a végtermékként szolgáló GQD-kat adja. Ez a módszer egyszerű, gyors, és nagy hozamú, ugyanakkor a termékek polidiszperzitása és a méret kontrollálhatósága korlátozott. Például glükóz használata vízben történő előállításra olcsó, zöld fényű GQD-ket eredményez, amelyek a fotolumineszcenciában is stabilak.

A GQD-k előállításának legtöbb módszere magában hordozza a top-down és a bottom-up megközelítéseket. A top-down megközelítés során a szénalapú anyagokat, például a grafént, a fullerének vagy a szén nanotömlőket mechanikai vagy kémiai eljárásokkal bontják, míg a bottom-up megközelítésben a szintetikus kémiai eljárások révén megfelelő molekulákból alakítanak ki GQD-kat.

A GQD-k napenergia alkalmazásában betöltött szerepe egyre fontosabbá válik, mivel méretfüggő sávrészüket és a kvantumzárás hatását felhasználva különösen alkalmasak napcellákban való alkalmazásra. A GQD-k előnyei közé tartozik a jobb diszperzió, a szabályozott sávrés, a kiváló kémiai stabilitás, és alacsony toxicitásuk, melyek kiemelik őket a hagyományos szilícium vagy perovszkites anyagokkal szemben. Az új típusú szilícium/GQD heterojunkciós napcellák, szeminugátoros/GQD napcellák és vezető polimerekkel dúsított GQD napcellák mind-mind ígéretesek az energiahatékonyság növelésére és a környezetbarát energiaforrások terjedésére.

Hogyan oldhatók meg a neuromorfikus számítástechnika kihívásai a ferroelectrikus anyagokkal?

A mesterséges intelligencia, a big data, a gépi tanulás és az IoT folyamatos fejlődése jelentős számítási kihívásokat eredményezett, különösen a számítástechnikai adatok exponenciális növekedésével. Ezen kihívások alapvetően abból adódnak, hogy a feldolgozó és tároló egységek fizikai elkülönülése korlátozza az adatok olvasásának és írásának sebességét, ami túlzott energiafogyasztáshoz vezet. A neuromorfikus számítástechnika egy ígéretes megoldást kínál, amely segíthet leküzdeni a hagyományos számítástechnikai architektúrák, különösen a von Neumann-hézag korlátait.

A neuromorfikus számítástechnika az emberi agy tanulási, memorizálási és információfeldolgozó képességeit veszi alapul. Az emberi agy figyelemre méltóan képes hatalmas mennyiségű információt egyszerre feldolgozni, miközben rendkívül alacsony energiafogyasztás mellett működik. Az agy működése az alacsony, 20 W körüli energiafelhasználásával a legújabb számítástechnikai rendszerek számára is iránymutató lehet, különösen azok számára, amelyek a jövőben magas teljesítményt és energiahatékonyságot kívánnak elérni.

A neuromorfikus rendszerek alapvető elemei a szinaptikus eszközök, amelyek memóriaeszközként működnek, miközben pontosan képesek irányítani a csatorna vezethetőségét. Ezek az eszközök könnyedén integrálhatók a mesterséges neurális hálózatokba, lehetővé téve az in-memory számítást, amely ötvözi a memória- és számítási funkciókat. Az Fe-FET-ek (ferroelectric field-effect tranzisztorok) polárosításának modulálásával – azaz a felül- és alulpolarizált tartományok arányának módosításával pulzáló elektrosztatikus kapuzás révén – több szintű vezetőképességi állapotokat érhetünk el. Ezen állapotok nem volatilisak és történetfüggők, így az Fe-FET-ek memóriakezelő tulajdonságai lehetővé teszik számukra, hogy szinaptikus eszközként működjenek.

A HZO/WS2 Fe-FET eszköztípusok például sikeresen modellezhetik a biológiai szinapszisok plaszticitását. A biológiai szinapszisok működésének analógiájára a neurotranszmitterek veszik át az elektromos impulzusokat, amelyek a posztszinaptikus áramot generálják. Az eszköz szinaptikus súlyait a kapu feszültségimpulzusok alkalmazásával lehet módosítani, ami az áram felerősödését vagy csökkenését eredményezi. A P(VDF-TrFE)/MoS2 anyagkombinációval rendelkező szinaptikus eszközök már több mint 1000 vezérelhető állapotot képesek elérni, ami különösen ígéretes a neuromorfikus alkalmazások számára.

A 2D ferroelectrikus anyagok fejlődése szoros kapcsolatban áll a spintronikával és a valleytronikával. A spintronikus eszközök alapját a spin-polarizáció képezi, amely a ferroelectrikus polarizáció és a spin-dependens jelenségek kölcsönhatásával jön létre. A Rashba-effektus, amely a spin-orbitális kölcsönhatások egy jellegzetes formája, jól kontrollálható az elektromos mezők segítségével. A 2D ferroelectrikus anyagokban ezen hatások különösen jól megfigyelhetők, ahol a nem centroszimmetrikus jelleg miatt a spin-orbitális kölcsönhatás erősebb lehet.

Ezen kívül a valleytronikában alkalmazott anyagok olyan elektronikus struktúrákkal rendelkeznek, amelyek több „völgyet” is tartalmaznak, így az elektronok számára egy további szabadsági fokot biztosítanak. Az ilyen anyagokban, például a 2H-MoS2 esetében, az inverzió szimmetria hiánya vezet a völgyhez kötött optikai választási szabályokhoz és a valley Hall-effektus megjelenéséhez. Ezen jelenségeket külső mezők alkalmazásával lehet irányítani, amelyek képesek polarizálni az elektronokat az egyik völgy irányába.