Vilka utmaningar och framsteg finns inom forskning på kisel-chalkogenid-fotovoltaiska material?

De material som diskuterades tidigare har visat sig ha enastående prestanda inom en rad olika applikationer. Trots detta är den nuvarande forskningen och utvecklingen fokuserad på flera olika områden för att ytterligare öka deras effektivitet och utforska potential som ännu inte har utnyttjats. Bland de mest framträdande forskningsområdena återfinns de följande:

Effektivitet och prestanda: Att uppnå en verkningsgrad (PCE) som är jämförbar med populära teknologier, som kiselbaserade solceller, har visat sig vara en betydande utmaning. En möjlig lösning för att öka effektiviteten är att förbättra kristallkvaliteten, optimera filmdepositionsprocesserna och öka laddningsbärarens rörlighet. Tekniker som bandgapdesign, tandemcellarkitektur och sofistikerade ljusfällningstekniker undersöks också som potentiella förbättringar.

Stabilitet och tillförlitlighet: Vissa metall-chalkogenider förlorar sin prestanda och har en kortare livslängd när de utsätts för miljöfaktorer som fukt, temperatur och ljus. Detta kan förbättras genom inkapslingstekniker, skyddande beläggningar och en bättre förståelse för nedbrytningprocesser.

Materialens homogenitet och defekter: Defekter i material, sammansättningsmässiga ojämlikheter och korngränser kan alla påverka laddningstransporten och rekombinationen inom materialet, vilket kan försämra den övergripande effektiviteten.

Gränssnittsteknik: Gränssnittsteknik innebär att man noggrant designar gränssnitt mellan olika material för att maximera laddningsbärarupptaget och minska rekombinationen. Detta främjar effektiv laddningstransport. Vanligt förekommande i detta sammanhang är användandet av laddningsselektiva lager, som buffertlager eller elektron-/hålttransportlager, för att förbättra effektiviteten i enheter.

Nyare framsteg inom forskning på chalcogenid-fotovoltaiska material har haft en betydande inverkan på området för solenergiomvandling. En viktig forskningsinriktning är undersökningen av tandem- och multifunktionella solceller, som integrerar chalcogenidsolceller med andra fotovoltaiska teknologier för att förbättra den totala effektiviteten. Genom att kombinera olika komponenter kan ljuset absorberas effektivt över ett bredare spektrum av solens våglängder, vilket ökar enhetens övergripande prestanda.

Forskning på hybridarkitekturer, som innefattar sömlös integration av chalcogenider och perovskitmaterial, är ett annat intressant forskningsområde. Huvudmålet här är att öka ljusabsorptionen och optimera laddningssepareringen inom perovskitskikten, vilket har potential att höja effektiviteten. Genom att justera anioner och katjoner under syntesen kan bandgapet hos dessa material kontrolleras, vilket resulterar i material som passar bättre för solcellsapplikationer.

Tekniker för karaktärisering av material och elektronik, som högupplöst avbildning och spektroskopi, har gett avgörande insikter i materialens grundläggande egenskaper och de komplicerade operationella mekanismerna. Användning av tekniker som Kelvin-prob mikroskopi och terahertz spektroskopi hjälper till att identifiera svagheter och förbättra prestanda i fotovoltaiska system.

En annan framväxande teknik är utvecklingen av flexibla och transparenta substrat för solceller. Detta möjliggör att metall-chalkogenid solceller kan integreras på olika ytor, vilket öppnar upp för nya användningsområden, som i arkitektur och på produkter med böjda eller transparenta ytor. Detta innebär också en möjlighet att förbättra ljusabsorptionen i tunna film-enheter genom att använda plasmoniska nanopartiklar, nanostrukturerade ytor och fotoniska kristaller.

För att öka produktionen av metall-chalkogenid solceller är forskare fokuserade på att utveckla skalbara tillverkningsmetoder. Lösningsbaserad och roll-to-roll produktion är exempel på tekniker som kan bidra till att öka produktionen och sänka kostnaderna.

Det finns också ett starkt engagemang för hållbarhet inom detta forskningsområde, med en betoning på att byta ut sällsynta och farliga ämnen mot mer lättillgängliga jordresurser. Detta innebär att solceller kan tillverkas på ett mer miljövänligt sätt, vilket gynnar både produktens livscykel och den ekologiska påverkan.

Slutligen har företag som LONGI och forskargrupper vid King Abdullah University of Science and Technology uppvisat betydande framsteg genom att utveckla tandemsolceller med en imponerande verkningsgrad på över 33%. Denna typ av forskning visar på den potential som finns i utvecklingen av solenergi, vilket ger hopp om framtida högpresterande och kostnadseffektiva fotovoltaiska system.

Hur Post-övergångsmetall Chalcogenider och 2D-SCM-material påverkar Memristorer

De senaste åren har post-övergångsmetallchalcogenider (PTMCs) framstått som en ny klass av 2D-semi-ledande material som har ökat intresset inom området för memristorer och elektroniska applikationer. Den kemiska formeln för PTMCs är i allmänhet MX, där M representerar post-övergångsmetaller som Ga, In, Sn, Tl, Pb och Bi, ibland inkluderande Al samt halvmetaller som Ge, Sb och Po, medan X representerar chalcogenider. Dessa material visar unika egenskaper som skiljer sig avsevärt från traditionella TMD-material (transition metal dichalcogenides) när det gäller elektroniska och optoelektroniska egenskaper.

För att ytterligare fördjupa sig i materialet In2Se3, en annan post-övergångsmetall-sesquisulfid, har det också visat sig vara mycket intressant som ett 2D-SCM-material. In2Se3 uppvisar rumstemperatur ferroelectricitet i monolayer-form och även vissa faser med paraelectricitet och antiferroelectricitet i andra faser. Memristorer baserade på In2Se3 har rapporterats som effektiva för att reglera RS-beteende genom att applicera ett in-plan elektriskt fält. Dessa enheter har ett on/off-förhållande på upp till 103 och behåller stabila LRS/HRS-strömmar över 10^3 sekunder, vilket gör dem användbara för långvarig dataretention.

En annan fascinerande 2D-SCM är svart fosfor (BP). BP har uppmärksammats för sina unika fysikaliska egenskaper, inklusive ett direkt bandgap som sträcker sig från 0,3 eV för bulk till cirka 2,0 eV för ett monolager. När BP-minskas från bulk till monolager ökar dess bandgap, vilket kan skapa en bro mellan de nollbandgap-egenskaperna hos grafen och de större bandgap-egenskaperna hos TMD-material. BP-baserade memristorer har visat exceptionellt hög prestanda, med ett on/off-förhållande på över 10^7. Dessa enheter visar också bra mekanisk flexibilitet, och efter upprepad böjning kvarstår deras RS-beteende stabilt, vilket gör dem lovande för användning i bärbar elektronik och neuromorfiska beräkningssystem.

CuInP2S6 (CIPS) är ännu ett material av intresse för memristor-applikationer. CIPS är känt för att vara ett starkt ferroelectric material vid rumstemperatur och har en unik förmåga att upprätthålla fyra polarisationslägen samtidigt. Vid applicering av ett elektriskt fält kan Cu-joner migrera mellan lager och skapa en polarisationsomvändning. Memristorer baserade på CIPS har visat sig ha förmåga att växla mellan volatila och icke-volatila tillstånd beroende på den valda compliance-strömmen, vilket öppnar möjligheter för att emulera potentiation i artificiella neuronnätverk.

Utöver de ovan nämnda materialen finns det ytterligare fördelar och potentiella tillämpningar av dessa 2D-SCM-material. För att förstå potentialen hos dessa material och deras tillämpningar är det avgörande att beakta deras egenskaper i kombination med tillverkningsprocesserna och integrationen i realtidsapplikationer. För att uppnå maximal prestanda och långvarig hållbarhet måste materialens egenskaper tas i beaktning vid val av substrat och elektrodmaterial. För detta krävs också en gedigen förståelse för hur 2D-materials struktur, laddningstransport och gränsskiktsbeteenden påverkar de slutgiltiga memristorernas funktionalitet och tillförlitlighet.