Vir: news.mit.edu
Perovskiti obetajo ustvarjanje sončnih kolektorjev, ki bi jih bilo mogoče preprosto nanesti na večino površin, vključno s prožnimi in teksturiranimi. Ti materiali bi bili tudi lahki, poceni za proizvodnjo in enako učinkoviti kot današnji vodilni fotovoltaični materiali, ki so večinoma silicij. So predmet vse večjih raziskav in naložb, vendar morajo podjetja, ki želijo izkoristiti njihov potencial, odpraviti nekatere preostale ovire, preden so sončne celice na osnovi perovskita lahko komercialno konkurenčne.
Izraz perovskit se ne nanaša na določen material, kot sta silicij ali kadmijev telurid, druga vodilna kandidata na področju fotovoltaike, temveč na celotno družino spojin. Družina sončnih materialov perovskit je poimenovana po svoji strukturni podobnosti z mineralom, imenovanim perovskit, ki je bil odkrit leta 1839 in poimenovan po ruskem mineralogu LA Perovskem.
Prvotni mineral perovskit, ki je kalcijev titanov oksid (CaTiO3), ima značilno kristalno konfiguracijo. Ima tridelno strukturo, katere komponente so postale označene z A, B in X, v kateri so mreže različnih komponent prepletene. Družina perovskitov je sestavljena iz številnih možnih kombinacij elementov ali molekul, ki lahko zasedejo vsako od treh komponent in tvorijo strukturo, podobno strukturi samega prvotnega perovskita. (Nekateri raziskovalci celo nekoliko zaokrožijo pravila tako, da poimenujejo druge kristalne strukture s podobnimi elementi "perovskiti", čeprav kristalografi temu nasprotujejo.)
"Atome in molekule lahko mešate in povezujete v strukturo z nekaterimi omejitvami. Če na primer poskušate v strukturo vstaviti preveliko molekulo, jo boste popačili. Sčasoma lahko povzročite, da se 3D-kristal loči na 2D večplastno strukturo ali popolnoma izgubiti urejeno strukturo,« pravi Tonio Buonassisi, profesor strojništva na MIT in direktor raziskovalnega laboratorija za fotovoltaiko. "Perovskiti so zelo nastavljivi, kot tip kristalne strukture, ki si ustvari svojo lastno avanturo," pravi.
Ta struktura prepletenih mrež je sestavljena iz ionov ali nabitih molekul, od katerih sta dve (A in B) pozitivno nabiti, druga (X) pa negativno nabita. Ioni A in B so običajno precej različnih velikosti, pri čemer je ioni A večji.
V splošni kategoriji perovskitov obstaja več vrst, vključno s kovinskimi oksidnimi perovskiti, ki so našli uporabo v katalizi ter pri shranjevanju in pretvorbi energije, na primer v gorivnih celicah in kovinsko-zračnih baterijah. Toda glavni poudarek raziskovalne dejavnosti več kot desetletje je bil na svinčevih halogenih perovskitih, pravi Buonassisi.
Znotraj te kategorije je še vedno ogromno možnosti in laboratoriji po vsem svetu dirjajo z dolgočasnim delom, ko poskušajo najti različice, ki kažejo najboljšo učinkovitost glede učinkovitosti, stroškov in vzdržljivosti - kar je bilo doslej najzahtevnejše. od treh.
Številne ekipe so se osredotočile tudi na različice, ki odpravljajo uporabo svinca, da bi se izognili njegovemu vplivu na okolje. Buonassisi pa ugotavlja, da "sčasoma naprave, ki temeljijo na svincu, še naprej izboljšujejo svojo zmogljivost in nobena druga kompozicija se ni približala v smislu elektronske zmogljivosti." Nadaljuje se delo pri raziskovanju alternativ, vendar za zdaj nobena ne more tekmovati z različicami svinčevega halogena.
Ena od velikih prednosti, ki jih ponujajo perovskiti, je njihova velika toleranca za napake v strukturi, pravi. Za razliko od silicija, ki za dobro delovanje v elektronskih napravah zahteva izjemno visoko čistost, lahko perovskiti dobro delujejo tudi s številnimi nepopolnostmi in nečistočami.
Iskanje obetavnih novih kandidatnih sestavkov za perovskite je podobno iskanju igle v kupu sena, a pred kratkim so raziskovalci iznašli sistem strojnega učenja, ki lahko močno poenostavi ta proces. Ta novi pristop bi lahko vodil do veliko hitrejšega razvoja novih alternativ, pravi Buonassisi, ki je bil soavtor te raziskave.
Medtem ko perovskiti še naprej veliko obetajo in se več podjetij že pripravlja na začetek komercialne proizvodnje, ostaja trajnost največja ovira, s katero se soočajo. Medtem ko silicijeve sončne celice obdržijo do 90 odstotkov svoje moči po 25 letih, se perovskiti razgradijo veliko hitreje. Dosežen je bil velik napredek - začetni vzorci so trajali le nekaj ur, nato tednov ali mesecev, vendar imajo novejše formulacije uporabno življenjsko dobo do nekaj let, kar je primerno za nekatere aplikacije, kjer dolgoživost ni bistvena.
Buonassisi pravi, da je z raziskovalnega vidika ena od prednosti perovskitov ta, da jih je razmeroma enostavno izdelati v laboratoriju - kemične sestavine se zlahka sestavijo. Toda to je tudi njihova slaba stran: "Material gre zelo enostavno pri sobni temperaturi," pravi, "vendar tudi zelo zlahka razpade pri sobni temperaturi. Enostavno pride, enostavno gre!"
Da bi rešili to težavo, se večina raziskovalcev osredotoča na uporabo različnih vrst zaščitnih materialov za inkapsulacijo perovskita, ki ga ščiti pred izpostavljenostjo zraku in vlagi. Toda drugi preučujejo natančne mehanizme, ki vodijo do te degradacije, v upanju, da bodo našli formulacije ali zdravljenja, ki so sama po sebi robustnejša. Ključna ugotovitev je, da je za okvaro v veliki meri kriv proces, imenovan avtokataliza.
Pri avtokatalizi, takoj ko se en del materiala začne razgrajevati, njegovi reakcijski produkti delujejo kot katalizatorji, ki začnejo razgrajevati sosednje dele strukture, in začne se bežna reakcija. Podoben problem je obstajal v zgodnjih raziskavah nekaterih drugih elektronskih materialov, kot so organske svetleče diode (OLED), in je bil sčasoma rešen z dodajanjem dodatnih stopenj čiščenja surovin, tako da je podobno rešitev mogoče najti v primeru perovskiti, predlaga Buonassisi.
Buonassisi in njegovi soraziskovalci so pred kratkim zaključili študijo, ki je pokazala, da ko perovskiti dosežejo uporabno življenjsko dobo vsaj desetletja, zahvaljujoč njihovi veliko nižji začetni ceni bi zadostovali, da bi bili ekonomsko sposobni kot nadomestek za silicij v velikih, uporabnih velike sončne elektrarne.
Na splošno je bil napredek pri razvoju perovskitov impresiven in spodbuden, pravi. S samo nekaj leti dela je že dosegel učinkovitost, primerljivo z ravnmi, ki jih kadmijev telurid (CdTe), "ki obstaja že veliko dlje, še vedno težko doseže," pravi. "Lahkota, s katero so te višje zmogljivosti dosežene v tem novem materialu, je skoraj osupljiva." Če primerja količino raziskovalnega časa, porabljenega za doseganje 1-odstotnega izboljšanja učinkovitosti, pravi, da je bil napredek pri perovskitih nekje med 100- do 1,000-krat hitrejši kot pri CdTe. "To je eden od razlogov, zakaj je tako razburljivo," pravi.
