Izvor: cei.washington.edu/
Šta je perovskit
Perovskit je materijal koji ima istu kristalnu strukturu kao mineral kalcijum titan oksid, prvi otkriveni kristal perovskita. Generalno, jedinjenja perovskita imaju hemijsku formulu ABX3, gdje 'A' i 'B' predstavljaju katione, a X je anjon koji se vezuje za oba. Veliki broj različitih elemenata može se kombinirati zajedno kako bi se formirale strukture perovskita. Koristeći ovu kompozicionu fleksibilnost, naučnici mogu dizajnirati kristale perovskita tako da imaju širok spektar fizičkih, optičkih i električnih karakteristika. Kristali perovskita danas se nalaze u ultrazvučnim mašinama, memorijskim čipovima, a sada i u solarnim ćelijama.
Šematski prikaz 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 provodnika kao što je bakar - kako bi energiju iz svjetlosti pretvorili u električnu energiju. Sunčeva svjetlost pobuđuje elektrone u poluvodičkom materijalu, koji se ulijevaju u provodne elektrode i proizvode električnu struju.
Silicijum je primarni poluprovodnički materijal koji se koristi u solarnim ćelijama od 1950-ih, jer su njegova poluprovodnička svojstva dobro usklađena sa spektrom sunčevih zraka i relativno je obilna i stabilna. Međutim, veliki kristali silikona koji se koriste u konvencionalnim solarnim panelima zahtijevaju skup proizvodni proces u više koraka koji koristi puno energije. U potrazi za alternativom, naučnici su iskoristili mogućnost podešavanja perovskita za stvaranje poluprovodnika sa sličnim svojstvima kao i silicijum. Solarne ćelije od perovskita mogu se proizvesti korištenjem jednostavnih tehnika aditivnog taloženja, kao što je štampa, za djelić troškova i energije. Zbog kompozicione fleksibilnosti perovskita, oni se takođe mogu podesiti da idealno odgovaraju sunčevom spektru.
Godine 2012. istraživači su prvi put otkrili kako napraviti stabilnu, tankoslojnu perovskitnu solarnu ćeliju s efikasnošću konverzije svjetlosnog fotona u elektron od preko 10%, koristeći olovo-halogenid perovskite kao sloj koji apsorbira svjetlost. Od tada je efikasnost konverzije sunčeve svjetlosti u električnu energiju perovskitnih solarnih ćelija naglo porasla, a laboratorijski rekord iznosi 25,2%. Istraživači takođe kombinuju perovskit solarne ćelije sa konvencionalnim silicijumskim solarnim ćelijama – rekordna efikasnost ovih tandem ćelija „perovskit na silicijumu“ trenutno iznosi 29,1% (premašivši rekord od 27% za konvencionalne silicijumske ćelije) i brzo raste. Sa ovim brzim porastom efikasnosti ćelija, perovskit solarne ćelije i perovskit tandem solarne ćelije mogu uskoro postati jeftine, visoko efikasne alternative konvencionalnim silicijumskim 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 silicijumskim tandemima, komercijalizuju od strane desetina kompanija širom sveta, još uvek postoje osnovni naučni i inženjerski izazovi za rešavanje koji mogu poboljšati njihove performanse, pouzdanost i proizvodnost.
Neki istraživači perovskita nastavljaju da potiču efikasnost konverzije karakterišući defekte u perovskitu. Dok su poluprovodnici iz perovskita izuzetno tolerantni na defekte, defekti i dalje – negativno utiču na performanse – posebno oni koji se javljaju na površini aktivnog sloja. Drugi istraživači istražuju nove hemijske formulacije perovskita, kako da podese njihova elektronska svojstva za specifične primjene (poput tandemskih ćelija), ili da dodatno poboljšaju njihovu stabilnost i vijek trajanja.
Istraživači također rade na novim dizajnom ćelija, novim strategijama inkapsulacije za zaštitu perovskita od okoline i razumijevanju osnovnih puteva degradacije kako bi mogli koristiti studije ubrzanog starenja kako bi predvidjeli kako će solarne ćelije perovskita trajati na krovovima. Drugi ubrzano istražuju različite proizvodne procese, uključujući i kako prilagoditi perovskitne "tinte" ustaljenim metodama štampanja velikih razmjera. Konačno, dok se perovskiti s najboljim učinkom danas proizvode s malom količinom olova, istraživači također istražuju alternativne kompozicije i nove strategije inkapsulacije, kako bi ublažili zabrinutost povezana s toksičnošću olova.
Kako CEI unapređuje perovskite?
Kristali perovskita često pokazuju defekte atomske skale koji mogu smanjiti efikasnost solarne konverzije. Glavni naučnik CEI-ja i profesor hemije David Ginger razvio je tehnike "pasivacije", tretirajući perovskite različitim hemijskim jedinjenjima kako bi zacijelio ove defekte. Ali kada se kristali perovskita sastave u solarne ćelije, elektrode za prikupljanje struje mogu stvoriti dodatne defekte. Godine 2019. Ginger i saradnici 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, omogućavajući perovskit solarnim ćelijama da dostignu svoj puni potencijal efikasnosti, a da i dalje ostanu kompatibilne. sa jeftinom proizvodnjom.
Profesor hemije Daniel Gamelina i njegova grupa imaju za cilj da modifikuju silikonske solarne ćelije sa perovskitnim premazima kako bi efikasnije sakupljali visokoenergetske fotone plave svetlosti, zaobilazeći teorijsku granicu od 33% konverzije za konvencionalne silicijumske ćelije. Gamelin i njegov tim razvili su perovskitne kvantne tačke - sitne čestice hiljadama puta manje od ljudske vlasi - koje mogu apsorbirati fotone visoke energije i emitovati dvostruko više fotona niske energije, proces koji se naziva "kvantno rezanje". Svaki foton koji apsorbuje solarna ćelija generiše jedan elektron, tako da premaz od perovskita kvantne tačke može dramatično povećati efikasnost konverzije.
Gamelin i njegov tim su osnovali spinoff kompaniju pod nazivom BlueDot Photonic kako bi komercijalizirali tehnologiju. Uz financiranje od SETO-a, Gamelin i BlueDot razvijaju tehnike taloženja za stvaranje tankih filmova od perovskitnih materijala za solarne ćelije velike površine i za poboljšanje konvencionalnih silikonskih solarnih ćelija.
Profesor hemijskog inženjerstva Hugh Hillhouse koristi algoritme mašinskog učenja za pomoć u istraživanju perovskita. Koristeći fotoluminiscenciju snimljenu video zapisom velike brzine, Hillhouse i njegova grupa testiraju različite hibridne perovskite za dugoročnu stabilnost. Ovi eksperimenti generiraju ogromne skupove podataka, ali korištenjem strojnog učenja imaju za cilj generirati prediktivni model degradacije za solarne ćelije od perovskita. Ovaj model im može pomoći da optimiziraju hemijski sastav i strukturu perovskitnih solarnih ćelija za dugoročnu stabilnost – ključnu prepreku komercijalizaciji.
U Washington Clean Energy Testbeds, laboratoriji otvorenog pristupa kojom upravlja CEI, istraživači i poduzetnici mogu koristiti najsavremeniju opremu za razvoj, testiranje i skaliranje tehnologija poput perovskitnih solarnih ćelija. Koristeći roll to roll štampač na Testbeds, perovskitne boje mogu se štampati na niskim temperaturama na fleksibilnim podlogama. Tehnički direktor ispitnih poligona J. Devin MacKenzie, profesor nauke o materijalima& inženjering i mašinstvo u UW, stručnjak je za materijale i tehnike za proizvodnju visoke propusnosti i niskog ugljičnog otiska. Jedan od najaktivnijih projekata njegove grupe, koji također finansira SETO, razvija in situ instrumente koji mogu mjeriti rast kristala perovskita jer se brzo talože tokom štampe od rolne do rolne. Uz podršku Zajedničkog centra za razvoj i Istraživanje materijala u izobilju Zemlje (JCDREAM), MacKenziejeva grupa također koristi štampač najveće rezolucije na svijetu za razvoj novih elektroda za povlačenje električne struje iz perovskitnih solarnih ćelija bez blokiranja sunčeve svjetlosti da uđe u ćeliju.
Tehnički direktor Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie demonstrira višestepeni roll-to-roll štampač za fleksibilnu elektroniku. (Institut za čistu energiju)
