Kandidat PhD Mike Pols mempelajari perovskites, bahan yang menjanjikan untuk digunakan dalam sel surya.
Struktur kristal yang unik dan sifat khusus menjadikan perovskite kandidat yang menjanjikan untuk sel surya di masa depan. Tetapi untuk memenuhi potensi ini, masih ada beberapa tantangan yang harus diatasi. Dalam tesisnya, Mike Pols menawarkan lebih banyak wawasan tentang proses dalam materi ini – pengetahuan yang dapat membantu meningkatkan stabilitas perovskit. Dia membela disertasi PhD -nya cum laude di Departemen Pendidikan Fisika & Sains Terapan pada 20 Februari.
/ Martina Silbrníková
Berkat gelar sarjana dan master ganda, Pols memiliki latar belakang dalam kimia dan fisika – persis keahlian yang diperlukan untuk penelitiannya tentang bahan untuk aplikasi elektronik, seperti sel surya, LED, dan fotodetektor.
“Dalam kelompok penelitian kami, kami mempelajari proses apa yang terjadi dalam materi, dengan tujuan memperbaikinya untuk aplikasi yang berbeda,” jelasnya. “Tidak seperti beberapa kelompok lain, pekerjaan kami secara eksklusif didasarkan pada simulasi.”
Bahan yang dia khawatirkan adalah perovskite – mineral yang ternyata sangat menjanjikan untuk digunakan dalam sel surya. Karyanya berkaitan dengan kelas perovskite tertentu – halide perovskites – yang memiliki potensi untuk menggantikan silikon dan membentuk dasar untuk generasi baru panel surya.
Unik, tetapi tidak stabil
“Perovskite adalah mineral dengan sifat unik,” katanya.
Karena halida perovskit menyerap cahaya dengan sangat baik, mereka sangat cocok untuk digunakan dalam sel surya. Selain itu, mereka lebih mudah dan lebih murah untuk dibuat daripada sel surya silikon, sambil menawarkan efisiensi yang hampir sama. Ini membuat mereka ideal untuk aplikasi di mana berat memainkan peran penting, seperti di panel surya untuk bangunan atau kendaraan.
Tetapi materi juga memiliki kelemahan, Pols mengakui. “Kerugian terbesar adalah bahwa bahannya sangat tidak stabil dan berantakan dengan cepat,” katanya.
Perovskit saat ini biasanya tetap stabil selama tidak lebih dari tiga bulan. “Bayangkan jika saya menjual panel surya seperti itu kepada seseorang dan itu berantakan setelah tiga bulan. Mereka tidak akan bahagia, seperti yang Anda mengerti,” katanya sambil tersenyum. “Jadi salah satu tantangan besar adalah: bagaimana Anda mendapatkan materi yang stabil?”
Kustomisasi properti
Untungnya, bahannya sangat modular, yang berarti bahwa komposisi kimia dan struktur kristal perovskit dapat dimodifikasi secara relatif mudah dengan menambahkan atau mengambil elemen yang berbeda.
“Anda dapat menambahkan atom dan mencapai struktur yang diinginkan, seperti lapisan yang berbeda di atas satu sama lain,” Pols menjelaskan. “Dengan begitu Anda dapat menyesuaikan sifat perovskit dengan aplikasi tertentu.”
Selain itu, dimungkinkan untuk menciptakan apa yang disebut kiralitas – asimetri dalam struktur kimia, yang membuat material menyerap cahaya dengan cara yang berbeda.
Semua kemungkinan ini membuat perovskit sangat fleksibel. “Secara teori, kita dapat menyelesaikan masalah stabilitas dengan memodifikasi struktur,” kata Pols. “Tapi untuk itu kita pertama -tama perlu memahami apa yang terjadi. Saat ini, kita tidak benar -benar tahu mengapa materi itu berantakan.”
Terlalu banyak untuk dilacak
Dengan penelitiannya, ia berusaha memberikan lebih banyak wawasan tentang proses ini. Dan dia tentu saja bukan satu -satunya; Perovskit adalah bidang penelitian yang sangat dinamis dan aktif. Kabinet di lorong gedung Cascade, yang menampung kelompok penelitiannya, karena itu penuh dengan disertasi dengan perovskit dalam judul. Para peneliti fokus pada berbagai aspek materi yang menjanjikan.
“Beberapa berkonsentrasi pada peningkatan efisiensi energi, sementara yang lain melakukan penelitian eksperimental pada sifat material, seperti pergerakan atom di dalam material,” ia mengklarifikasi.
“Banyak makalah yang diterbitkan tentang hal ini setiap hari, terlalu banyak untuk dilacak. Bahkan ada seluruh konferensi yang dikhususkan untuk perovskites,” kata Pols. Aliran besar pengetahuan baru sangat berharga, tetapi kadang -kadang Anda tidak dapat melihat hutan untuk pohon -pohon, ia mengakui. “Sebagai peneliti, Anda selalu harus membuat pilihan tentang apa yang harus Anda selesaikan, dan Anda tidak akan pernah bisa mendapatkan gambaran lengkap dari seluruh bidang.”
Mendiagnosis
Pekerjaan Pols berfokus pada pemahaman yang lebih baik proses yang dengannya materi hancur. “Eksperimen menunjukkan bahwa struktur kimia berubah seiring waktu, menyebabkan materi kehilangan fungsi aslinya. Itu rusak, jadi untuk berbicara,” jelasnya.
Proses ini bersifat intrinsik dan terjadi secara alami, mirip dengan penuaan, tetapi dipercepat oleh faktor -faktor eksternal seperti paparan oksigen dan air.
“Di lab, kita dapat melihat bahwa struktur telah berubah, tetapi tidak turun ke tingkat atom,” katanya. Dalam penelitiannya, Pols menyelidiki apa yang sebenarnya terjadi pada skala atom. Di mana dan dalam kondisi apa bahan itu berantakan?
“Ini belum menjadi solusi, tetapi mirip dengan membuat diagnosis. Jika Anda tahu apa yang terjadi, Anda dapat menyelidiki bagaimana membuat materi lebih stabil,” katanya.
Simulasi
Untuk mengetahuinya, ia melakukan simulasi. “Setelah membuat model digital dari struktur material, Anda dapat memperkenalkan cacat kecil dengan menghilangkan atom. Dan kemudian Anda mengamati apa yang terjadi,” jelasnya. “Misalnya, kami menemukan bahwa tidak semua cacat buruk atau menyebabkan ketidakstabilan. Langkah selanjutnya adalah menentukan cacat mana yang benar -benar membuat materi tidak stabil. Jika Anda dapat mengidentifikasi cacat buruk itu, Anda kemudian dapat menyelidiki bagaimana mencegah pembentukannya di dalam bahan.”
Satu masalah dengan simulasi adalah bahwa kualitas output tergantung pada kualitas model Anda. Dengan kata lain, sejauh mana itu cocok dengan kenyataan. Untuk mendapatkan data yang akurat, penting untuk memiliki model yang baik.
“Setengah waktu saya dihabiskan untuk melatih model dengan data untuk memastikan itu akan menjadi refleksi yang akurat dari kenyataan. Sisa waktu saya menggunakan model untuk simulasi,” kata Pols.
Mikroskop virtual
Dengan simulasi ini, ia menunjukkan dengan tepat bagaimana cacat melewati materi dan efek apa yang mereka miliki terhadap stabilitas. “Saya benar -benar menciptakan semacam mikroskop virtual, yang memungkinkan Anda untuk melihat dengan tepat apa yang terjadi di tingkat atom,” ia merangkum. “Ini berkontribusi pada pemahaman yang lebih dalam tentang materi dan apa yang kita amati selama percobaan.”
“Eksperimen seringkali di depan simulasi. Kami melihat banyak hal tetapi belum sepenuhnya memahaminya. Penelitian saya memberi lebih banyak cahaya tentang hal ini,” katanya. “Sekarang bola kembali ke pengadilan eksperimen. Peneliti lain dapat terus bekerja dengan temuan ini dan melihat apakah mereka dapat menunjukkan dan mengukurnya di laboratorium. Jika demikian, mereka dapat diterjemahkan ke proses dan akhirnya ke aplikasi konkret, seperti itu sebagai sel surya. ”
Jadi apakah kita akan segera memiliki panel surya 2.0 berdasarkan sel surya perovskit? “Itu semua di udara untuk saat ini,” jawab Pols. “Ada begitu banyak fasilitas produksi untuk sel surya saat ini dan begitu banyak panel surya yang ada sehingga sel surya baru benar -benar perlu jauh lebih baik untuk membuatnya layak mengganti yang lama,” katanya.
“Kami juga melihat apakah kami dapat menambahkan lapisan perovskit di atas panel surya yang ada untuk membuatnya lebih efisien. Itu akan menjadi intervensi yang lebih kecil, tetapi masih memiliki efek menguntungkan.”
Either way, berkat penelitiannya, kita sekarang tahu lebih banyak tentang materi, yang membawa kita lebih dekat ke aplikasi konkretnya.
PhD dalam gambar
Apa itu di sampul disertasi Anda?
“Ini adalah rendering seorang seniman dari kisi kristal, versi yang disederhanakan dari struktur kimia perovskit. Lego Bricks. “
Anda berada di pesta ulang tahun. Bagaimana Anda menjelaskan penelitian Anda dalam satu kalimat?
“Saya menggunakan mikroskop virtual untuk mempelajari bagaimana perovskit – bahan yang menjanjikan untuk sel surya – bergerak, berantakan, dan mendapatkan fungsionalitas baru.”
Bagaimana Anda meledakkan uap di luar penelitian Anda?
“Saya seorang pemain polo air yang rajin. Bermain olahraga adalah cara yang ideal bagi saya untuk bersantai.”
Tip apa yang ingin Anda terima sebagai kandidat PhD awal?
“Ketika Anda menerbitkan sebuah makalah, ini tidak secara otomatis menghasilkan confetti dan tepukan di bagian belakang. Alih -alih menunggu pengakuan luar, berhenti sejenak untuk merenungkan tonggak Anda sendiri dan meluangkan waktu untuk menikmatinya.”
Apa langkah Anda selanjutnya?
“Saya akan mulai bekerja sebagai postdoc di kelompok TU/E lain, melanjutkan dengan ilmu material, tetapi dengan fokus pada bahan lain dan pada getaran dalam bahan -bahan itu.”
