Izvor:news.mit.edu
Perovskiti obećavaju stvaranje solarnih panela koji se lako mogu postaviti na većinu površina, uključujući fleksibilne i teksturirane. Ovi materijali bi takođe bili lagani, jeftini za proizvodnju i efikasni kao vodeći fotonaponski materijali današnjice, koji su uglavnom silicijum. Oni su predmet sve većeg istraživanja i ulaganja, ali kompanije koje žele iskoristiti svoj potencijal moraju riješiti neke preostale prepreke prije nego što solarne ćelije na bazi perovskita budu komercijalno konkurentne.
Termin perovskit se ne odnosi na određeni materijal, kao što su silicijum ili kadmijum telurid, drugi vodeći konkurenti u oblasti fotonapona, već na čitavu porodicu jedinjenja. Porodica solarnih materijala perovskita dobila je ime po strukturnoj sličnosti sa mineralom zvanim perovskit, koji je otkriven 1839. godine i nazvan po ruskom mineralogu LA Perovskom.
Originalni mineral perovskit, koji je kalcijum titan oksid (CaTiO3), ima prepoznatljivu kristalnu konfiguraciju. Ima trodijelnu strukturu, čije su komponente postale označene A, B i X, u kojoj su rešetke različitih komponenti isprepletene. Porodica perovskita sastoji se od mnogih mogućih kombinacija elemenata ili molekula koji mogu zauzeti svaku od tri komponente i formirati strukturu sličnu strukturi samog originalnog perovskita. (Neki istraživači čak malo krive pravila nazivajući druge kristalne strukture sa sličnim elementima "perovskiti", iako se to negiraju kod kristalografa.)
"Možete miješati i upariti atome i molekule u strukturu, uz određena ograničenja. Na primjer, ako pokušate ugurati preveliki molekul u strukturu, iskrivit ćete je. Na kraju biste mogli uzrokovati da se 3D kristal odvoji u 2D slojevitu strukturu ili potpuno izgubiti uređenu strukturu", kaže Tonio Buonassisi, profesor mašinstva na MIT-u i direktor Laboratorije za istraživanje fotonaponske tehnike. "Perovskiti su vrlo prilagodljivi, poput tipa kristalne strukture "napravi svoju avanturu", kaže on.
Ta struktura isprepletenih rešetki sastoji se od jona ili nabijenih molekula, od kojih su dva (A i B) pozitivno nabijena, a druga (X) negativno nabijena. A i B joni su obično prilično različitih veličina, a A je veći.
U okviru ukupne kategorije perovskita, postoji niz tipova, uključujući perovskite sa metalnim oksidom, koji su našli primenu u katalizi i skladištenju i konverziji energije, kao što su gorivne ćelije i metal-vazdušne baterije. Ali glavni fokus istraživačkih aktivnosti više od jedne decenije bio je na perovskitima olovnog halogenida, kaže Buonassisi.
Unutar te kategorije još uvijek postoji legija mogućnosti, a laboratorije širom svijeta jure kroz mučan posao pokušavajući pronaći varijacije koje pokazuju najbolje performanse u pogledu efikasnosti, cijene i izdržljivosti - što je do sada bilo najizazovnije od tri.
Mnogi timovi su se također fokusirali na varijacije koje eliminišu upotrebu olova, kako bi se izbjegao njegov utjecaj na okoliš. Buonassisi, međutim, napominje da "konzistentno tokom vremena, uređaji zasnovani na olovu nastavljaju da poboljšavaju svoje performanse, a nijedna od drugih kompozicija se nije približila u smislu elektronske izvedbe." Nastavlja se rad na istraživanju alternativa, ali za sada se nijedna ne može takmičiti s verzijama olovnih halogenida.
Jedna od velikih prednosti koje nudi perovskit je njihova velika tolerancija na defekte 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 sa brojnim nesavršenostima i nečistoćama.
Traganje za obećavajućim novim kandidatskim sastavima za perovskite je pomalo poput traženja igle u plastu sijena, ali nedavno su istraživači došli do sistema mašinskog učenja koji može uvelike pojednostaviti ovaj proces. Ovaj novi pristup mogao bi dovesti do mnogo bržeg razvoja novih alternativa, kaže Buonassisi, koji je bio koautor tog istraživanja.
Iako perovskiti i dalje obećavaju, a nekoliko kompanija se već sprema da započnu komercijalnu proizvodnju, trajnost ostaje najveća prepreka s kojom se suočavaju. Dok silikonski solarni paneli zadržavaju do 90 posto svoje izlazne snage nakon 25 godina, perovskiti se mnogo brže razgrađuju. Ostvaren je veliki napredak - početni uzorci su trajali samo nekoliko sati, zatim sedmica ili mjeseci, ali novije formulacije imaju vijek trajanja do nekoliko godina, pogodan za neke primjene gdje dugovječnost nije ključna.
Iz istraživačke perspektive, kaže Buonassisi, jedna od prednosti perovskita je ta što ih je relativno lako napraviti u laboratoriji - hemijski sastojci se lako sastavljaju. Ali to je i njihova loša strana: „Materijal se vrlo lako spaja na sobnoj temperaturi“, kaže on, „ali se i na sobnoj temperaturi vrlo lako raspada.
Kako bi se pozabavili tim problemom, većina istraživača je fokusirana na korištenje različitih vrsta zaštitnih materijala za kapsuliranje perovskita, štiteći ga od izlaganja zraku i vlazi. Ali drugi proučavaju tačne mehanizme koji dovode do te degradacije, u nadi da će pronaći formulacije ili tretmane koji su inherentno snažniji. Ključni nalaz je da je proces koji se zove autokataliza u velikoj mjeri kriv za slom.
U autokatalizi, čim jedan dio materijala počne da se razgrađuje, njegovi produkti reakcije djeluju kao katalizatori da počnu degradirati susjedne dijelove strukture, i dolazi do bježanja reakcije. Sličan problem postojao je u ranim istraživanjima nekih drugih elektronskih materijala, kao što su organske diode koje emituju svjetlost (OLED), a na kraju je riješen dodavanjem dodatnih koraka prečišćavanja sirovinama, pa se slično rješenje može naći iu slučaju perovskiti, sugeriše Buonassisi.
Buonassisi i njegovi suistraživači nedavno su završili studiju koja pokazuje da nakon što perovskiti dostignu upotrebni vijek od najmanje jedne decenije, zahvaljujući njihovoj mnogo nižoj početnoj cijeni koja bi bila dovoljna da ih učini ekonomski održivim kao zamjena za silicijum u velikim, korisnim - velike solarne farme.
Sve u svemu, napredak u razvoju perovskita bio je impresivan i ohrabrujući, kaže on. Sa samo nekoliko godina rada, već je postigao efikasnost uporedivu sa nivoima koje kadmijum telurid (CdTe), "koji postoji mnogo duže, još uvek se bori da postigne", kaže on. "Lakoća s kojom se postižu ove veće performanse u ovom novom materijalu gotovo je zapanjujuća." Upoređujući količinu istraživačkog vremena utrošenog na postizanje poboljšanja efikasnosti od 1 posto, kaže on, napredak na perovskitima je bio negdje između 100 i 1,000 puta brži od onog na CdTe. "To je jedan od razloga zašto je tako uzbudljivo", kaže on.
