Vir: cei.washington.edu/
Kaj je perovskit
Perovskit je material, ki ima enako kristalno strukturo kot mineral kalcijev titanov oksid, prvi odkriti kristal perovskita. Na splošno imajo perovskitne spojine kemično formulo ABX3, kjer 'A' in 'B' predstavljata katione, X pa je anion, ki se veže na oba. Veliko število različnih elementov je mogoče kombinirati skupaj, da tvorijo perovskitne strukture. Z uporabo te kompozicijske prilagodljivosti lahko znanstveniki oblikujejo kristale perovskita tako, da imajo široko paleto fizičnih, optičnih in električnih lastnosti. Kristale perovskita danes najdemo v ultrazvočnih napravah, pomnilniških čipih, zdaj pa v sončnih celicah.
Shema kristalne strukture perovskita. (Wikimedia Commons)
Čiste energetske aplikacije perovskitov
Vse fotonapetostne sončne celice se zanašajo na polprevodnike - materiale v sredini med električnimi izolatorji, kot so steklo in kovinski vodniki, kot je baker - za pretvorbo energije iz svetlobe v elektriko. Sončna svetloba vzbuja elektrone v polprevodniškem materialu, ki tečejo v prevodne elektrode in proizvajajo električni tok.
Silicij je primarni polprevodniški material, ki se uporablja v sončnih celicah že od petdesetih let prejšnjega stoletja, saj se njegove polprevodniške lastnosti dobro ujemajo s spektrom sončnih žarkov ter je razmeroma bogat in stabilen. Vendar pa veliki silicijevi kristali, ki se uporabljajo v običajnih sončnih panelih, zahtevajo drag, večstopenjski proizvodni proces, ki uporablja veliko energije. V iskanju alternative so znanstveniki izkoristili nastavljivost perovskitov za ustvarjanje polprevodnikov s podobnimi lastnostmi kot silicij. Perovskitne sončne celice je mogoče izdelati z uporabo preprostih tehnik aditivnega nanašanja, kot je tiskanje, za delček stroškov in energije. Zaradi prožnosti kompozicije perovskitov jih je mogoče tudi prilagoditi tako, da se idealno ujemajo s sončnim spektrom.
Leta 2012 so raziskovalci prvič odkrili, kako narediti stabilno, tankoplastno perovskitno sončno celico z učinkovitostjo pretvorbe svetlobe foton v elektron več kot 10 % z uporabo svinčevih halogenidnih perovskitov kot sloja, ki absorbira svetlobo. Od takrat se je učinkovitost pretvorbe sončne svetlobe v električno moč perovskitnih sončnih celic močno povečala, laboratorijski rekord pa je znašal 25,2%. Raziskovalci prav tako združujejo perovskitne sončne celice z običajnimi silicijevimi sončnimi celicami – rekordna učinkovitost teh tandemskih celic »perovskit na siliciju« je trenutno 29,1 % (presega rekord 27 % za običajne silicijeve celice) in hitro narašča. S tem hitrim porastom učinkovitosti celic lahko perovskitne sončne celice in perovskitne tandemske sončne celice kmalu postanejo poceni, zelo učinkovite alternative običajnim silikonskim sončnim celicam.
Prerez sončne celice iz perovskita. (Inštitut za čisto energijo)
Kateri so nekateri trenutni raziskovalni cilji?
Medtem ko sončne celice s perovskitom, vključno s perovskitom na silicijevih tandemih, komercializira na desetine podjetij po vsem svetu, je treba še vedno soočiti z osnovnimi znanstvenimi in inženirskimi izzivi, ki lahko izboljšajo njihovo zmogljivost, zanesljivost in izdelljivost.
Nekateri raziskovalci perovskita še naprej spodbujajo učinkovitost pretvorbe z karakterizacijo napak v perovskitu. Medtem ko so perovskitni polprevodniki izjemno tolerantni na napake, napake še vedno negativno vplivajo na zmogljivost – zlasti tiste, ki se pojavljajo na površini aktivne plasti. Drugi raziskovalci raziskujejo nove kemične formulacije perovskita, da bi prilagodili njihove elektronske lastnosti za posebne aplikacije (kot so skladi tandemskih celic) ali še izboljšali njihovo stabilnost in življenjsko dobo.
Raziskovalci delajo tudi na novih zasnovah celic, novih strategijah inkapsulacije za zaščito perovskitov pred okoljem in razumevanju osnovnih poti razgradnje, da lahko uporabijo študije pospešenega staranja za napovedovanje, kako bodo sončne celice perovskita trajale na strehah. Drugi hitro raziskujejo različne proizvodne postopke, vključno s tem, kako prilagoditi perovskitna "črnila" uveljavljenim metodam tiskanja velikih rešitev. Nazadnje, medtem ko so najbolj učinkoviti perovskiti danes izdelani z majhno količino svinca, raziskovalci raziskujejo tudi alternativne sestave in nove strategije inkapsulacije, da bi ublažili pomisleke, povezane s toksičnostjo svinca.
Kako CEI napreduje perovskite?
Kristali perovskita pogosto kažejo napake v atomskem merilu, ki lahko zmanjšajo učinkovitost sončne pretvorbe. Glavni znanstvenik CEI in profesor kemije David Ginger je razvil tehnike "pasivacije", pri čemer je perovskite obdelal z različnimi kemičnimi spojinami za zdravljenje teh napak. Toda ko se kristali perovskita sestavijo v sončne celice, lahko elektrode za zbiranje toka ustvarijo dodatne napake. Leta 2019 so Ginger in sodelavci pri Georgia Tech prejeli sredstva od Urada za tehnologije sončne energije (SETO) ameriškega ministrstva za energijo za razvoj novih strategij pasivizacije in novih materialov za zbiranje naboja, ki omogočajo sončnim celicam perovskita, da dosežejo svoj polni potencial učinkovitosti, hkrati pa ostanejo združljive. z nizkocenovno proizvodnjo.
Profesor kemije Daniel Gamelina in njegova skupina si prizadevata modificirati silicijeve sončne celice s perovskitnimi premazi, da bi učinkoviteje zbirali visokoenergijske fotone modre svetlobe, pri čemer bi obšli teoretično mejo 33-odstotne pretvorbe za običajne silicijeve celice. Gamelin in njegova ekipa sta razvila perovskitne kvantne pike - drobne delce, tisočkrat manjše od človeškega lasu -, ki lahko absorbirajo visokoenergijske fotone in oddajajo dvakrat več fotonov z nizko energijo, postopek, imenovan "kvantno rezanje". Vsak foton, ki ga absorbira sončna celica, ustvari en elektron, tako da bi lahko prevleka s kvantno piko perovskita dramatično povečala učinkovitost pretvorbe.
Gamelin in njegova ekipa sta ustanovila spinoff podjetje, imenovano BlueDot Photonic, da komercializira tehnologijo. S financiranjem SETO Gamelin in BlueDot razvijata tehnike nanašanja za ustvarjanje tankih filmov iz perovskitnih materialov za sončne celice velike površine in za izboljšanje običajnih silikonskih sončnih celic.
Profesor kemijskega inženirstva Hugh Hillhouse uporablja algoritme strojnega učenja za pomoč pri raziskavah perovskitov. Z uporabo fotoluminiscence, ki jo zajame hitri video, Hillhouse in njegova skupina preizkušata različne hibridne perovskite za dolgoročno stabilnost. Ti poskusi ustvarjajo ogromne nabore podatkov, vendar z uporabo strojnega učenja želijo ustvariti napovedni model degradacije za perovskitne sončne celice. Ta model jim lahko pomaga optimizirati kemično sestavo in strukturo sončne celice iz perovskita za dolgoročno stabilnost - ključna ovira za komercializacijo.
V laboratoriju The Washington Clean Energy Testbeds, laboratoriju z odprtim dostopom, ki ga upravlja CEI, lahko raziskovalci in podjetniki uporabljajo najsodobnejšo opremo za razvoj, testiranje in obseg tehnologij, kot so perovskitne sončne celice. S pomočjo tiskalnika z zvitki v zvitek na testnih mestih lahko perovskitna črnila tiskate pri nizkih temperaturah na fleksibilne podlage. Tehnični direktor testnih poligonov J. Devin MacKenzie, profesor znanosti o materialih& inženiring in strojništvo pri UW, je strokovnjak za materiale in tehnike za visoko zmogljivo proizvodnjo z nizkim ogljičnim odtisom. Eden najaktivnejših projektov njegove skupine, ki ga prav tako financira SETO, je razvoj in situ instrumentov, ki lahko merijo rast kristalov perovskita, saj se ti hitro odlagajo med tiskanjem od zvitka do zvitka. S podporo Skupnega centra za razvoj in Raziskave materialov, ki so bogati z zemljo (JCDREAM), MacKenziejeva skupina uporablja tudi tiskalnik z najvišjo ločljivostjo na svetu za razvoj novih elektrod za črpanje električnega toka iz perovskitnih sončnih celic, ne da bi preprečili vstop sončne svetlobe v celico.
Tehnični direktor Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie, ki prikazuje večstopenjski tiskalnik za fleksibilno elektroniko Testbeds. (Inštitut za čisto energijo)
