Izvor: cei.washington.edu/
Što je perovskit
Perovskit je materijal koji ima istu kristalnu strukturu kao mineral kalcij-titanijev oksid, prvi otkriveni kristal perovskita. Općenito, spojevi perovskita imaju kemijsku formulu ABX3, gdje 'A' i 'B' predstavljaju katione, a X je anion koji se veže za oba. Veliki broj različitih elemenata može se kombinirati zajedno kako bi se formirale strukture perovskita. Koristeći ovu kompozicijsku fleksibilnost, znanstvenici mogu dizajnirati kristale perovskita tako da imaju širok raspon fizičkih, optičkih i električnih karakteristika. Kristali perovskita danas se nalaze u ultrazvučnim aparatima, memorijskim čipovima, a sada i u solarnim ćelijama.
Shema kristalne strukture perovskita. (Wikimedia Commons)
Primjena čiste energije perovskita
Sve fotonaponske solarne ćelije oslanjaju se na poluvodiče - materijale u sredini između električnih izolatora poput stakla i metalnih vodiča kao što je bakar - za pretvaranje energije iz svjetlosti u električnu energiju. Sunčeva svjetlost pobuđuje elektrone u poluvodičkom materijalu, koji ulaze u vodljive elektrode i proizvode električnu struju.
Silicij je primarni poluvodički materijal koji se koristi u solarnim ćelijama od 1950-ih, budući da su njegova poluvodička svojstva dobro usklađena sa spektrom sunčevih zraka te je relativno bogat i stabilan. Međutim, veliki kristali silicija koji se koriste u konvencionalnim solarnim panelima zahtijevaju skup proizvodni proces u više koraka koji koristi puno energije. U potrazi za alternativom, znanstvenici su iskoristili mogućnost podešavanja perovskita za stvaranje poluvodiča sličnih svojstvima silicija. Perovskitne solarne ćelije mogu se proizvesti jednostavnim tehnikama aditivnog taloženja, poput tiska, za djelić troškova i energije. Zbog fleksibilnosti sastava perovskita, oni se također mogu podesiti da idealno odgovaraju sunčevom spektru.
Godine 2012. istraživači su prvi put otkrili kako napraviti stabilnu, tankoslojnu perovskitnu solarnu ćeliju s učinkovitošću pretvorbe svjetlosnih fotona u elektron preko 10%, koristeći olovo-halogenid perovskite kao sloj koji apsorbira svjetlost. Od tada je učinkovitost pretvorbe sunčeve svjetlosti u električnu energiju perovskitnih solarnih ćelija naglo porasla, a laboratorijski rekord iznosi 25,2%. Istraživači također kombiniraju perovskit solarne ćelije s konvencionalnim silicijevim solarnim ćelijama – rekordna učinkovitost za ove tandemske ćelije “perovskit na siliciju” trenutno iznosi 29,1% (premašivši rekord od 27% za konvencionalne silicijeve ćelije) i brzo raste. S ovim brzim porastom učinkovitosti ćelija, perovskit solarne ćelije i perovskit tandem solarne ćelije uskoro bi mogle postati jeftine, visoko učinkovite alternative konvencionalnim silikonskim solarnim ćelijama.
Poprečni presjek solarne ćelije iz perovskita. (Institut za čistu energiju)
Koji su neki trenutni ciljevi istraživanja?
Dok se solarne ćelije perovskita, uključujući perovskit na silicij tandemima, komercijaliziraju od strane desetaka tvrtki širom svijeta, još uvijek postoje temeljni znanstveni i inženjerski izazovi kojima se treba pozabaviti koji mogu poboljšati njihovu učinkovitost, pouzdanost i proizvodnost.
Neki istraživači perovskita nastavljaju poticati učinkovitost pretvorbe karakterizirajući defekte u perovskitu. Dok su perovskitni poluvodiči izvanredno tolerantni na defekte, defekti još uvijek – negativno utječu na performanse – osobito oni koji se javljaju na površini aktivnog sloja. Drugi istraživači istražuju nove kemijske formulacije perovskita, kako bi prilagodili njihova elektronička svojstva za specifične primjene (poput tandemskih stanica), ili dodatno poboljšali njihovu stabilnost i vijek trajanja.
Istraživači također rade na novim dizajnom ćelija, novim strategijama inkapsulacije za zaštitu perovskita od okoliša i razumijevanje osnovnih puteva degradacije kako bi mogli koristiti studije ubrzanog starenja kako bi predvidjeli kako će solarne ćelije perovskita trajati na krovovima. Drugi ubrzano istražuju razne proizvodne procese, uključujući kako prilagoditi perovskitne "tinte" na utvrđene metode tiskanja velikih razmjera. Konačno, dok se perovskiti s najboljim učinkom danas proizvode s malom količinom olova, istraživači također istražuju alternativne sastave i nove strategije inkapsulacije, kako bi ublažili zabrinutosti povezane s toksičnošću olova.
Kako CEI unapređuje perovskite?
Kristali perovskita često pokazuju defekte atomskog razmjera koji mogu smanjiti učinkovitost solarne pretvorbe. Glavni znanstvenik CEI-ja i profesor kemije David Ginger razvio je tehnike "pasivacije", tretirajući perovskite različitim kemijskim spojevima kako bi izliječio ove defekte. Ali kada se kristali perovskita sastave u solarne ćelije, elektrode za prikupljanje struje mogu stvoriti dodatne defekte. Godine 2019. Ginger i suradnici u Georgia Tech-u dobili su sredstva od Ureda za tehnologije solarne energije američkog Ministarstva energetike (SETO) za razvoj novih strategija pasivizacije i novih materijala za prikupljanje naboja, omogućujući perovskitnim solarnim ćelijama da dostignu svoj puni potencijal učinkovitosti, a da pritom ostanu kompatibilne. uz jeftinu proizvodnju.
Profesor kemije Daniel Gamelina i njegova grupa imaju za cilj modificirati silicijeve solarne ćelije s perovskitnim premazom kako bi se učinkovitije prikupljali visokoenergetski fotoni plave svjetlosti, zaobilazeći teorijsku granicu od 33% konverzije za konvencionalne silicijeve ćelije. Gamelin i njegov tim razvili su perovskitne kvantne točke - sitne čestice tisuće puta manje od ljudske kose - koje mogu apsorbirati visokoenergetske fotone i emitirati dvostruko više fotona niske energije, što je proces nazvan "kvantno rezanje". Svaki foton koji apsorbira solarna ćelija generira jedan elektron, tako da bi premaz kvantne točke perovskita mogao dramatično povećati učinkovitost pretvorbe.
Gamelin i njegov tim osnovali su spinoff tvrtku pod nazivom BlueDot Photonics kako bi komercijalizirali tehnologiju. Uz financiranje SETO-a, Gamelin i BlueDot razvijaju tehnike taloženja za stvaranje tankih filmova perovskitnih materijala za solarne ćelije velike površine i za poboljšanje konvencionalnih silicijevih solarnih ćelija.
Profesor kemijskog inženjerstva Hugh Hillhouse koristi algoritme strojnog učenja za pomoć u istraživanju perovskita. Koristeći fotoluminiscenciju snimljenu brzim videom, Hillhouse i njegova grupa testiraju različite hibridne perovskite za dugoročnu stabilnost. Ovi eksperimenti generiraju ogromne skupove podataka, ali korištenjem strojnog učenja, cilj im je generirati prediktivni model degradacije za solarne ćelije od perovskita. Ovaj im model može pomoći da optimiziraju kemijski sastav i strukturu solarne ćelije od perovskita za dugoročnu stabilnost - ključnu prepreku komercijalizaciji.
U Washington Clean Energy Testbeds, laboratoriju otvorenog pristupa kojim upravlja CEI, istraživači i poduzetnici mogu koristiti najsuvremeniju opremu za razvoj, testiranje i skaliranje tehnologija poput perovskitnih solarnih ćelija. Korištenjem pisača od rola do rola na ispitnim stolovima, perovskitne tinte mogu se tiskati na niskim temperaturama na fleksibilne podloge. Tehnički direktor ispitnih poligona J. Devin MacKenzie, profesor znanosti o materijalima& inženjering i strojarstvo na UW, stručnjak je za materijale i tehnike za proizvodnju visoke propusnosti i niske emisije ugljičnog otiska. Jedan od najaktivnijih projekata njegove grupe, također financiran od strane SETO-a, razvija in situ instrumente koji mogu mjeriti rast kristala perovskita jer se oni brzo talože tijekom tiskanja od svitka do svitka. Uz potporu Zajedničkog centra za razvoj i Istraživanje materijala u izobilju Zemlje (JCDREAM), MacKenziejeva grupa također koristi pisač najveće razlučivosti na svijetu za razvoj novih elektroda za povlačenje električne struje iz solarnih ćelija perovskita bez blokiranja sunčeve svjetlosti da uđe u ćeliju.
Tehnički direktor Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie demonstrira višestupanjski pisač roll-to-roll za fleksibilnu elektroniku Testbeds-a. (Institut za čistu energiju)