Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
2D-material har en eller två lager av atomer, vilket ger dem extraordinära egenskaper jämfört med deras bulk-motsvarigheter. Dessa material uppvisar kvantkonfinement i åtminstone en dimension, vilket leder till kvantisering av elektroniska energinivåer och förändringar i elektronernas beteende. Tunnare material gör det möjligt för kvant-effekter att ha en större inverkan. En av dessa effekter är kvant-tunnelering, där partiklar, såsom elektroner, kan "tunnla" genom energibarriärer som skulle vara ogenomträngliga enligt klassisk fysik. Detta fenomen uppstår på grund av den våglika naturen hos partiklar på kvantnivå. När en partikel möter en energibarriär sträcker sig dess vågfunktion in i den klassiskt förbjudna regionen, vilket ger en fin möjlighet för partikeln att dyka upp på andra sidan utan att nödvändigtvis passera barriären på det klassiska sättet.
De energibarriärer som elektronerna möter kan vara jämförbara med de karakteristiska energinivåerna hos dessa konfinierade system. Detta leder till att elektroner kan tunnla genom dessa barriärer och uppvisa beteenden som avviker markant från klassisk fysik. Denna delokalisering får konsekvenser för elektrisk ledningsförmåga, energitransport och andra elektroniska egenskaper. Kvant-tunnelering bidrar också till effekter som kvant-kapacitans, där förhållandet mellan laddningstäthet och spänning blir kvantiserat på grund av de diskreta energinivåerna som elektronerna kan anta i de konfinierade dimensionerna.
Ett annat resultat av kvant-effekterna är att elektronernas och hålens beteende kan liknas vid relativistiska partiklar snarare än traditionella elektroner i bulk-material. Detta resulterar i linjära energi-momentum relationer och extremt hög rörlighet för bärarna, vilket i sin tur leder till hög elektrisk ledningsförmåga. Ett exempel på detta är vissa 2D-material, där fenomen som så kallade Dirac-kon har identifierats, vilket ger upphov till exceptionella elektriska och optiska egenskaper.
Utvecklingen av perovskitmaterial inom solcellsindustrin har lett till framsteg även inom 2D-strukturer, särskilt inom kvasi-2D tennhalid-perovskiter. Dessa material erbjuder förbättrade kristallgitterstrukturer och ger lovande optoelektroniska egenskaper, särskilt för användning i solceller och LED-applikationer. De höga medlemmarna av kvasi-2D perovskiter har en intressant struktur där excitonernas vågfunktion är delokaliserad över flera atomära siter, vilket innebär att elektron och hål inte är begränsade till en enda plats. Detta leder till förbättrade optoelektroniska egenskaper som ökad livslängd för excitoner och förbättrad effektivitet för solceller och LED-enheter.
För att förstå och optimera prestandan hos dessa material är det viktigt att ta hänsyn till deras elektroniska struktur och exciton-dynamik. I högmedlemmiga kvasi-2D tinhalid-perovskiter är excitonernas förskjutning ett framträdande fenomen, vilket innebär att elektronernas delokalisation sker över större områden, snarare än att vara lokaliserade till specifika punkter. Denna delokalisation har visat sig vara nyckeln till förbättrade egenskaper, som till exempel en femfaldig ökning i excitonens livslängd och en markant förbättring av solcellernas effektivitet.
En annan aspekt att beakta är hur molekylär orbitaldelokalisation och staplingseffekter i 2D-halvledarmaterial påverkar deras elektroniska och optoelektroniska egenskaper. När man undersöker topologiska effekter, som exempelvis delokalisation av pi-elektroner i grafen, har det visat sig att detta kan användas för att skapa material med kontrollerade bandgap och högre termodynamisk stabilitet. Genom att förstå hur olika molekylära enheter i dessa material påverkar bandgapet, kan vi förbättra stabiliteten och ledningsförmågan hos dessa system.
Det är också värt att förstå hur stacking och delokalisation i material som MoSSe och WSSe påverkar deras recombineringshastigheter och gör dem till utmärkta kandidater för fotokatalytiska applikationer. Dessa material har visat sig ha långsammare rekombinationstid vid vertikala heterostrukturer jämfört med laterala, vilket är fördelaktigt för användning i energiomvandling och ljusbaserade teknologier.
För att utnyttja potentialen hos 2D-halvledarmaterial i elektronik och fotonik, är det viktigt att förstå den komplexa relationen mellan deras struktur och egenskaper. Genom att kontrollera dessa egenskaper, såsom excitonens förskjutning eller elektronernas delokalisation, kan man skapa material som inte bara är mer effektiva i sina specifika tillämpningar utan också mer stabila och långlivade.
Hur 2D-nanomaterialer kan förbättra solcellers effektivitet och stabilitet
De senaste åren har solcellsforskningen genomgått betydande framsteg, särskilt med utvecklingen av organiska och perovskit-baserade tunnfilmssolceller. Dessa solceller har inte bara uppnått en hög effektivitet, utan har även visat sig vara kostnadseffektiva och kompatibla med storskalig produktion. För organiska solceller (SCs) har effektiviteten ökat till över 18%, medan perovskit-baserade solceller har nått imponerande 25%. Dessa solcellsteknologier har potentialen att revolutionera solenergisektorn genom att erbjuda en kombination av hög effektivitet, flexibilitet, låg vikt och till och med halvtransparenta egenskaper. Därmed har de blivit en central punkt för forskningen om framtidens solcellsteknologier.
En av de mest lovande vägarna för att ytterligare förbättra dessa solcellers prestanda är genom användningen av 2D-nanomaterial. Dessa material, som inkluderar grafen, metalloxider, övergångsmetalldikalcogenider som MoS2 och WSe2, samt andra tvådimensionella halvledare, har unika egenskaper som gör dem särskilt intressanta för solceller. Till exempel, 2D-nanomaterialens justerbara elektronstruktur, höga optiska transparens och förmåga att effektivt transportera laddningsbärare gör dem idealiska för användning som kontaktlager eller transportskikt i tunnfilmssolceller.
Flera typer av 2D-nanomaterial har använts i solceller som fotoelektroder, elektrontransportlager (ETL), håltransportlager (HTL) och som tillsatser i de aktiva lagren för att förbättra solcellernas effektivitet. Bland de mest populära materialen för dessa tillämpningar finns grafen och grafenliknande material, MOFs (metall-organiska ramverk), övergångsmetalldikalcogenider som MoS2 och MoSe2, samt polymerkombinationer. Forskning har visat att användningen av 2D-nanomaterial som MoS2 i HTL-lager kan avsevärt förbättra hålextraktionen och därigenom öka solcellens effektivitet och stabilitet.
Exempelvis har forskare visat att MoS2 kan användas i organiska perovskit-solceller för att förbättra både håltransporten och stabiliteten hos solcellens aktiva lager. Ett exempel på detta är ett experiment där MoS2 integrerades i Spiro-OMeTAD-lagret i en organisk perovskit-solcell. Resultaten visade att MoS2-dopade solceller hade en högre stabilitet och bibehöll cirka 85% av den ursprungliga fotokonversionseffektiviteten (PCE) efter 300 timmars exponering för luft, medan referenscellen endast behöll 30% av sin initiala PCE. Detta tyder på att MoS2 spelar en avgörande roll i att förbättra solcellernas långsiktiga prestanda genom att öka stabiliteten och minska laddningsrekombination.
Vidare har forskning visat att användningen av heterojunktioner mellan olika materialtyper i solceller kan minska laddningsrekombinationen och förbättra elektrontransporten. Detta kan ytterligare förbättra effektiviteten hos solceller. Till exempel har experiment med g-C3N4 och TiO2 som ETL-material visat att användningen av g-C3N4 förbättrar effektiviteten och stabiliteten hos perovskitbaserade solceller, där en förbättring av PCE med cirka 20% observerades. Denna förbättring beror på den snabbare elektronmobiliteten och minskad laddningsrekombination vid gränssnittet.
Det är viktigt att förstå att användningen av 2D-nanomaterial i solceller inte bara handlar om att öka effektiviteten vid en viss tidpunkt utan även om att förbättra långsiktig hållbarhet och driftstid. Solceller är oftast utsatta för en rad miljöfaktorer som temperaturvariationer, fukt och UV-strålning, vilket kan påverka deras prestanda över tid. Därför är stabilitet en kritisk faktor för att säkerställa att solcellerna behåller sin höga effektivitet under hela sin livslängd.
För att optimera användningen av 2D-nanomaterial i solceller krävs det fortsatt forskning för att bättre förstå och kontrollera de specifika egenskaperna hos dessa material. För närvarande är det viktigt att fokusera på att utveckla kostnadseffektiva och hållbara tillverkningsmetoder som möjliggör storskalig produktion av 2D-nanomaterial-baserade solceller. Att förstå de materialvetenskapliga och teknologiska utmaningarna som finns vid skalning av dessa material är avgörande för att kunna producera solceller som både är effektiva och hållbara på lång sikt.