Izvor:news.mit.edu
Perovskiti obećavaju stvaranje solarnih ploča koje bi se lako mogle nanijeti na većinu površina, uključujući fleksibilne i teksturirane. Ti bi materijali također bili lagani, jeftini za proizvodnju i jednako učinkoviti kao današnji vodeći fotonaponski materijali, koji su uglavnom silicij. Oni su predmet sve većeg istraživanja i ulaganja, ali tvrtke koje žele iskoristiti njihov potencijal moraju se pozabaviti nekim preostalim preprekama prije nego solarne ćelije temeljene na perovskitu mogu biti komercijalno konkurentne.
Pojam perovskit ne odnosi se na određeni materijal, poput silicija ili kadmijeva telurida, drugih vodećih kandidata u fotonaponskom području, već na cijelu obitelj spojeva. Obitelj solarnih materijala perovskit nazvana je po svojoj strukturnoj sličnosti s mineralom perovskitom, koji je otkriven 1839. i nazvan po ruskom mineralogu LA Perovskom.
Izvorni mineral perovskit, koji je kalcij-titanijev oksid (CaTiO3), ima prepoznatljivu kristalnu konfiguraciju. Ima trodijelnu strukturu, čije su komponente dobile oznake A, B i X, u kojoj su rešetke različitih komponenti isprepletene. Obitelj perovskita sastoji se od mnogih mogućih kombinacija elemenata ili molekula koje mogu zauzeti svaku od tri komponente i formirati strukturu sličnu onoj samog izvornog perovskita. (Neki istraživači čak malo mijenjaju pravila nazivajući druge kristalne strukture sa sličnim elementima "perovskitima", iako kristalografi na to ne gledaju s mrštenjem.)
"Možete miješati i spajati atome i molekule u strukturu, uz određena ograničenja. Na primjer, ako pokušate strpati molekulu koja je prevelika u strukturu, izobličit ćete je. Na kraju biste mogli izazvati razdvajanje 3D kristala na 2D slojevitu strukturu ili potpuno izgubiti uređenu strukturu," kaže Tonio Buonassisi, profesor strojarstva na MIT-u i direktor Laboratorija za istraživanje fotonapona. "Perovskiti su vrlo podesivi, poput tipa kristalne strukture za izgradnju vlastite avanture", kaže on.
Ta struktura isprepletenih rešetki sastoji se od iona ili nabijenih molekula, od kojih su dvije (A i B) pozitivno nabijene, a druga (X) negativno nabijena. Ioni A i B obično su prilično različitih veličina, s tim da je A veći.
Unutar ukupne kategorije perovskita, postoji niz vrsta, uključujući perovskite metalnog oksida, koji su pronašli primjenu u katalizi i pohranjivanju i pretvorbi energije, kao što su gorivne ćelije i baterije metal-zrak. Ali glavni fokus istraživačkih aktivnosti više od desetljeća bio je na perovskitima olovnog halida, kaže Buonassisi.
Unutar te kategorije još uvijek postoji mnoštvo mogućnosti, a laboratoriji diljem svijeta jure kroz zamoran posao traženja varijacija koje pokazuju najbolju izvedbu u učinkovitosti, cijeni i trajnosti — što je do sada bilo najizazovnije od tri.
Mnogi su se timovi također usredotočili na varijacije koje eliminiraju upotrebu olova kako bi se izbjegao njegov utjecaj na okoliš. Buonassisi, međutim, primjećuje da "konzistentno tijekom vremena, uređaji koji se temelje na olovu nastavljaju poboljšavati svoje performanse, a nijedan drugi sastav nije se približio u smislu elektroničkih performansi." Nastavlja se rad na istraživanju alternativa, ali za sada nijedna ne može konkurirati verzijama olovnih halogenida.
Jedna od velikih prednosti perovskita je njihova velika tolerancija na nedostatke u strukturi, kaže on. Za razliku od silicija, koji zahtijeva izuzetno visoku čistoću da bi dobro funkcionirao u elektroničkim uređajima, perovskiti mogu dobro funkcionirati čak i s brojnim nesavršenostima i nečistoćama.
Potraga za obećavajućim novim sastavima kandidata za perovskite pomalo je poput traženja igle u plastu sijena, ali nedavno su istraživači došli do sustava strojnog učenja koji može uvelike pojednostaviti ovaj proces. Ovaj novi pristup mogao bi dovesti do puno bržeg razvoja novih alternativa, kaže Buonassisi, koji je bio koautor tog istraživanja.
Dok perovskiti i dalje obećavaju, a nekoliko se tvrtki već sprema za početak komercijalne proizvodnje, trajnost ostaje najveća prepreka s kojom se suočavaju. Dok silikonski solarni paneli zadržavaju do 90 posto svoje izlazne snage nakon 25 godina, perovskiti se razgrađuju mnogo brže. Ostvaren je veliki napredak — početni uzorci trajali su samo nekoliko sati, zatim tjedana ili mjeseci, ali novije formulacije imaju vijek trajanja do nekoliko godina, prikladne za neke primjene gdje dugotrajnost nije bitna.
Iz istraživačke perspektive, kaže Buonassisi, jedna prednost perovskita je ta što ih je relativno lako napraviti u laboratoriju - kemijski sastojci se lako spajaju. Ali to je i njihova loša strana: "Materijal se vrlo lako spaja na sobnoj temperaturi," kaže on, "ali također se vrlo lako rastavlja na sobnoj temperaturi. Lako dolazi, lako odlazi!"
Kako bi se pozabavili tim problemom, većina istraživača usredotočena je na korištenje raznih vrsta zaštitnih materijala za kapsuliranje perovskita, štiteći ga od izlaganja zraku i vlazi. Ali drugi proučavaju točne mehanizme koji dovode do te degradacije, u nadi da će pronaći formulacije ili tretmane koji su inherentno robusniji. Ključno otkriće je da je proces koji se zove autokataliza u velikoj mjeri kriv za kvar.
U autokatalizi, čim se jedan dio materijala počne razgrađivati, produkti njegove reakcije djeluju kao katalizatori koji počinju razgrađivati susjedne dijelove strukture, te dolazi do odbjegle reakcije. Sličan problem postojao je u ranim istraživanjima nekih drugih elektroničkih materijala, poput organskih svjetlećih dioda (OLED), a na kraju je riješen dodavanjem dodatnih koraka pročišćavanja sirovina, pa se slično rješenje može pronaći u slučaju perovskiti, predlaže Buonassisi.
Buonassisi i njegovi suistraživači nedavno su dovršili studiju koja pokazuje da bi perovskiti, nakon što dosegnu upotrebljiv životni vijek od najmanje jednog desetljeća, zahvaljujući puno nižoj početnoj cijeni bili dovoljni da budu ekonomski održivi kao zamjena za silicij u velikim, korisnim velike solarne farme.
Sve u svemu, napredak u razvoju perovskita bio je impresivan i ohrabrujući, kaže on. Uz samo nekoliko godina rada, već je postigla učinkovitost usporedivu s razinama koje kadmijev telurid (CdTe), "koji postoji mnogo dulje, još uvijek pokušava postići", kaže on. "Lakoća kojom se postižu ove veće performanse u ovom novom materijalu je gotovo zapanjujuća." Uspoređujući količinu vremena istraživanja utrošenog da se postigne poboljšanje učinkovitosti od 1 posto, kaže on, napredak na perovskitima bio je negdje između 100 i 1,000 puta brži od onog na CdTe. "To je jedan od razloga zašto je tako uzbudljivo", kaže.