Hoe beïnvloeden heterostructuren en optische supercondensatoren de prestaties van zonne-energie en energieopslag?

De studie van de elektronstructuren van g-C3N4/WTe2 van der Waals (vdW) heterostructuren heeft belangrijke inzichten opgeleverd in de efficiëntie van zonnecellen. Door middel van eerste-principes berekeningen werd het effect van de vdW-interacties op de elektronstructuur onderzocht door de vdW-gap (dlayer) te variëren. De resultaten toonden aan dat een verkleining van de vdW-gap leidde tot een afname van de bandgap, wat een directe invloed had op de elektrische eigenschappen van de heterostructuur. De bandgap van g-C3N4/WTe2 kon worden vergroot door de vdW-gap te vergroten, waardoor de absorptiecapaciteiten werden uitgebreid naar het zichtbare lichtbereik. Dit vergrootte de efficiëntie van de zonnecel, wat resulteerde in een verbeterde energiebesparingscapaciteit van wel 17,68%. Het systeem toonde aan hoe de interacties op het nanometer-niveau de prestaties van de zonnecel kunnen beïnvloeden, door de recombinatie van elektronen en gaten te verminderen, en de fotokatalytische activiteit te verbeteren.

Naast de technologische vooruitgangen in zonnecellen, komt er steeds meer aandacht voor hybride energieopslagsystemen. Supercondensatoren, die bekend staan om hun snelle laad- en ontlaadtijden, lange levensduur en lage onderhoudsvereisten, zijn een veelbelovende optie voor energieopslag. Supercondensatoren onderscheiden zich van conventionele condensatoren door hun vermogen om energie op te slaan via twee verschillende mechanismen: elektrische dubbele lagen (bijvoorbeeld op basis van koolstofmaterialen zoals geactiveerd koolstof, grafeen en koolstofnanobuisjes) en snelle faradaïsche processen (zoals geleidende polymeren en metaaloxiden). De keuze voor materialen voor supercondensatoren heeft een directe invloed op de energie- en vermogensdichtheid, zoals geïllustreerd door de Ragone-diagrammen die de energiecapaciteit en het vermogen van verschillende opslagsystemen vergelijken.

Een interessante innovatie is de integratie van organische fotovoltaïsche cellen (OPV's) met supercondensatoren, wat leidt tot de ontwikkeling van fotovoltaïsche supercondensatoren. Bij dit systeem wordt zonne-energie direct omgezet in opgeslagen energie in een hybride cel. Xu et al. combineerden organometallische PSC's met op polypyrrole gebaseerde supercondensatoren om de omgezette zonne-energie efficiënt op te slaan. Dit type systeem biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele energieopslagmethoden, waarbij energieconversie en -opslag vaak in afzonderlijke apparaten plaatsvinden.

Deze benaderingen van fotovoltaïsche systemen en optische supercondensatoren vertegenwoordigen een significante verschuiving in de manier waarop we denken over de integratie van energieconversie en -opslag. Ze benadrukken de noodzaak om naar gecombineerde, hybride systemen te kijken die zowel energie omzetten als opslaan in één geïntegreerd systeem, wat de efficiëntie en het gebruiksgemak aanzienlijk verhoogt. Met deze systemen kunnen we niet alleen de efficiëntie van zonnecellen verbeteren, maar ook de opslagcapaciteit optimaliseren voor duurzamere en kosteneffectieve energieoplossingen.

Welke thermische en mechanische eigenschappen bepalen het potentieel van 2D halfgeleiders in flexibele elektronica?

Tweedimensionale halfgeleiders (2D-SCM’s) trekken aanzienlijke aandacht vanwege hun unieke thermische en mechanische eigenschappen, die hen geschikt maken voor geavanceerde toepassingen zoals flexibele elektronica en draagbare technologieën. De ladingsmobiliteit in deze materialen neemt toe met de dikte, wat vergelijkbare prestaties mogelijk maakt als bij organische, oxide- en nanotube-gebaseerde halfgeleiders. Dit impliceert dat 2D-SCM’s goed toepasbaar zijn in veld-effecttransistoren (FET’s), inclusief flexibele varianten die bestand zijn tegen mechanische vervormingen.

De thermische eigenschappen van 2D-SCM’s onderscheiden zich sterk van die van bijvoorbeeld grafeen. Transition Metal Dichalcogenides (TMD’s), een belangrijke klasse binnen 2D-SCM’s, hebben een andere roosterstructuur, wat leidt tot een afwijkend fononentransport en een lagere thermische geleiding dan grafeen. In tegenstelling tot grafeen zijn de thermische conductiviteiten van TMD’s nagenoeg onafhankelijk van afmetingen en ruwheid, wat te verklaren valt door hun korte fonon-gemiddelde vrije pad. Onder deze materialen zijn vooral die met molybdeen (Mo) en wolfraam (W) uitgebreid bestudeerd. Theoretische onderzoeken wijzen op een geringe invloed van het type overgangsmetaal op de thermische conductiviteit, terwijl experimentele data een zwakke afhankelijkheid van het aantal lagen tonen. Isotopische defecten blijken de fononentransportmechanismen substantieel te beïnvloeden, waarbij defectief MoS₂ een tot circa 50% hogere thermische conductiviteit vertoont dan de zuivere monolaag.

Naast thermische eigenschappen zijn de mechanische kenmerken van 2D-SCM’s van cruciaal belang, met name voor toepassingen in flexibele elektronica en energieopwekking. Mechanische stabiliteit en elasticiteit kunnen worden aangepast via structurele modificaties. Bijvoorbeeld, MXenes, oorspronkelijk metaalachtig, kunnen semiconductoren worden door oppervlaktepassivatie met fluoride- en zuurstofatomen, waarbij de thermische geleidbaarheid van gemodificeerde Sc₂C hoger ligt dan die van MoS₂ en phosphorene. Het blijkt dat ongelijkmatige oppervlaktetextuur de elastische eigenschappen kan tunen door verschillende chemische omgevingen aan weerszijden van de monolaag te creëren.

De combinatie van hoge thermische stabiliteit, variabele thermische geleidbaarheid, en aanpasbare mechanische eigenschappen maakt 2D-SCM’s uniek geschikt voor geïntegreerde flexibele systemen. Hoge thermische geleidbaarheid is wenselijk om oververhitting te voorkomen, terwijl lage thermische geleidbaarheid voordelig is in thermoelectrische toepassingen. Mechanische anisotropie, afhankelijk van de chemische samenstelling en temperatuur, vereist een gedetailleerde analyse om optimale materialen te selecteren voor specifieke elektronische en optische toepassingen.

Het is essentieel voor de lezer te begrijpen dat de thermische en mechanische eigenschappen van 2D halfgeleiders niet los gezien kunnen worden van hun structurele en elektronische configuraties. De wisselwerking tussen lagen, defecten, oppervlaktefunctionaliteit en kristaloriëntatie bepaalt de uiteindelijke prestatie van deze materialen in nanodevices. Bovendien is het inzicht in anisotropie en temperatuurafhankelijke eigenschappen cruciaal voor het ontwerpen van betrouwbare, flexibele elektronica met lange levensduur en hoge efficiëntie. Dit alles benadrukt de noodzaak van geïntegreerde benaderingen in materiaalonderzoek, waarbij theoretische modellen, experimentele technieken en geavanceerde fabricagemethoden samenkomen om het volledige potentieel van 2D-SCM’s te ontsluiten.

Welke nieuwe generatie brandstofcellen overtreft de beperkingen van vloeibare elektrolyten?

Door het gebruik van vloeibare elektrolyten kampen traditionele brandstofcellen met structurele beperkingen, waaronder veiligheidsrisico’s, lage ionenmobiliteit en verhoogde kans op kortsluiting. Om deze nadelen te vermijden, is de aandacht van wetenschappers verschoven naar alternatieve celarchitecturen, zoals single-layer of elektrolyt-vrije brandstofcellen. Deze innovaties vermijden het gebruik van vloeibare elektrolyten geheel en maken gebruik van halfgeleidermaterialen, wat leidt tot aanzienlijke verbeteringen in efficiëntie en veiligheid.

Ganesh et al. ontwikkelden een p–n junctie brandstofcel op basis van LiCoO₂ en SnO₂, vervaardigd als een tweedimensionaal (2D) halfgeleidermateriaal. SnO₂-nanopoeder werd gesynthetiseerd via co-precipitatie, waarna LiCoO₂ en SnO₂ als dunne films werden afgezet door middel van DC magnetron sputtering. Deze films vormden de basis van de nieuwe generatie brandstofcellen. Ook werden bulk planare cellen vervaardigd via de dry-pressing methode. De p–n junctie werd bevestigd met behulp van X-ray photoelectron spectroscopy, die elektronenoverdracht van LiCoO₂ naar SnO₂ aantoonde.

De geproduceerde apparaten – bulk planair, bulk heterojunctie en dunne-film planair – vertoonden maximale vermogensdichtheden van respectievelijk 0,61, 0,82 en 0,30 W/cm². Dankzij het ontbreken van een traditionele elektrolytlaag kon elektronenoverdracht binnen het apparaat worden beperkt, wat op zijn beurt bijdroeg aan een grotere circuitstabiliteit. Het vermijden van traditionele elektrolytmaterialen lost niet alleen veiligheidsproblemen op, maar vermindert ook de energetische verliezen als gevolg van lage ionenmobiliteit.

Verder onderzoek richtte zich op het combineren van materialen tot heterostructuur-elektrolyten. Zo werd een composietelektrolyt ontwikkeld op basis van CeO₂ en amorfe Al₂O₃, gesynthetiseerd via de solid-mixing methode. Na het mengen en suspenderen van de componenten werd het mengsel onder hoge druk geperst om een solide elektrolyt te verkrijgen. Deze elektrolyt vertoonde een ionengeleiding van 0,127 S/cm en een piekvermogensdichtheid van 1017 mW/cm² bij een open-klemspanning van 1,14 V bij 550°C.

Cruciaal was hier de rol van het brede bandgat van de Al₂O₃-isolator: dit veroorzaakte een potentiaalbarrière op de hetero-overgangen die elektronenoverdracht verhinderde en dus kortsluiting tegenging. Tegelijkertijd resulteerden de vele zuurstofvacatures in het metaaloxidecomposiet in verbeterde ionenmobiliteit, wat de algehele prestaties van de brandstofcel aanzienlijk verhoogde.

Deze ontwikkelingen laten een duidelijke trend zien: de overgang van vloeibare naar solide elektrolyten, van hoge naar lage werktemperaturen, en van conventionele naar halfgeleidende materialen. De toepassing van 2D-halfgeleiders en perovskietmaterialen in elektrolytvrije configuraties opent een nieuw tijdperk in brandstofceltechnologie. Innovaties in materiaalsynthese, zoals de sol-gel en co-precipitatiemethoden, leveren functionele elektrolyten op die de efficiëntie, duurzaamheid en veiligheid verbeteren zonder concessies te doen aan prestatie.

Het is essentieel te begrijpen dat de keuze van halfgeleidercombinaties niet enkel gebaseerd is op geleidingseigenschappen, maar ook op structurele stabiliteit, chemische compatibiliteit en de mogelijkheid tot dunnefilmdepositie. Verder onderzoek naar nanostructurering en interface-engineering zal bepalend zijn in het bereiken van nog lagere werktemperaturen en hogere vermogensdichtheden. Daarnaast blijft de controle over zuurstofvacatures, interfaciale potentialen en ladingsscheiding op nanoschaal een sleutel tot het optimaliseren van toekomstige generatie brandstofcellen.