Zdroj: cei.washington.edu/
Čo je perovskit
Perovskit je materiál, ktorý má rovnakú kryštálovú štruktúru ako minerál oxid vápenatý a titaničitý, prvý objavený perovskitový kryštál. Vo všeobecnosti majú perovskitové zlúčeniny chemický vzorec ABX3, kde 'A' a 'B' predstavujú katióny a X je anión, ktorý sa viaže na oba. Veľké množstvo rôznych prvkov je možné kombinovať a vytvárať perovskitové štruktúry. Pomocou tejto kompozičnej flexibility môžu vedci navrhnúť kryštály perovskitu tak, aby mali širokú škálu fyzikálnych, optických a elektrických charakteristík. Kryštály perovskitu sa dnes nachádzajú v ultrazvukových strojoch, pamäťových čipoch a teraz aj v solárnych článkoch.
Schéma kryštálovej štruktúry perovskitu. (Wikimedia Commons)
Čisté energetické aplikácie perovskitov
Všetky fotovoltaické solárne články sa spoliehajú na polovodiče – materiály v strede medzi elektrickými izolátormi, ako je sklo, a kovovými vodičmi, ako je meď – na premenu energie zo svetla na elektrinu. Svetlo zo slnka excituje elektróny v polovodičovom materiáli, ktoré prúdia do vodivých elektród a vytvárajú elektrický prúd.
Kremík je primárnym polovodičovým materiálom používaným v solárnych článkoch od 50. rokov 20. storočia, pretože jeho polovodičové vlastnosti sú v súlade so spektrom slnečných lúčov a je relatívne hojný a stabilný. Veľké kremíkové kryštály používané v konvenčných solárnych paneloch však vyžadujú nákladný viackrokový výrobný proces, ktorý využíva veľa energie. Pri hľadaní alternatívy vedci využili laditeľnosť perovskitov na vytvorenie polovodičov s podobnými vlastnosťami ako kremík. Perovskitové solárne články môžu byť vyrobené pomocou jednoduchých techník aditívneho nanášania, ako je tlač, za zlomok nákladov a energie. Vzhľadom na kompozičnú flexibilitu perovskitov môžu byť tiež vyladené tak, aby ideálne zodpovedali slnečnému spektru.
V roku 2012 výskumníci prvýkrát objavili, ako vyrobiť stabilný tenkovrstvový perovskitový solárny článok s účinnosťou premeny svetla na fotón na elektrón nad 10 %, pričom ako vrstvu pohlcujúcu svetlo použili perovskity halogenidu olovnatého. Odvtedy sa účinnosť premeny slnečného svetla na elektrickú energiu perovskitových solárnych článkov prudko zvýšila, pričom laboratórny rekord je 25,2 %. Výskumníci tiež kombinujú perovskitové solárne články s konvenčnými kremíkovými solárnymi článkami – rekordná účinnosť týchto tandemových článkov „perovskit na kremíku“ je v súčasnosti 29,1 % (prekonanie rekordu 27 % pre konvenčné kremíkové články) a rýchlo rastie. S týmto rýchlym nárastom účinnosti článkov sa perovskitové solárne články a perovskitové tandemové solárne články môžu čoskoro stať lacnými, vysoko účinnými alternatívami ku konvenčným kremíkovým solárnym článkom.
Prierez perovskitovým solárnym článkom. (Inštitút čistej energie)
Aké sú niektoré súčasné ciele výskumu?
Zatiaľ čo perovskitové solárne články, vrátane perovskitových na kremíkových tandemoch, komercializujú desiatky spoločností na celom svete, stále existujú základné vedecké a technické výzvy, ktoré je potrebné riešiť a ktoré môžu zlepšiť ich výkon, spoľahlivosť a vyrobiteľnosť.
Niektorí výskumníci perovskitu pokračujú v presadzovaní účinnosti konverzie charakterizovaním defektov v perovskite. Zatiaľ čo perovskitové polovodiče sú pozoruhodne odolné voči defektom, defekty stále - negatívne ovplyvňujú výkon - najmä tie, ktoré sa vyskytujú na povrchu aktívnej vrstvy. Iní výskumníci skúmajú nové chemické formulácie perovskitu, či už na vyladenie ich elektronických vlastností pre špecifické aplikácie (ako sú zostavy tandemových článkov), alebo na ďalšie zlepšenie ich stability a životnosti.
Výskumníci tiež pracujú na nových dizajnoch článkov, nových stratégiách zapuzdrenia na ochranu perovskitov pred prostredím a na pochopení základných ciest degradácie, aby mohli použiť štúdie zrýchleného starnutia na predpovedanie toho, ako perovskitové solárne články vydržia na strechách. Iní rýchlo skúmajú rôzne výrobné procesy vrátane toho, ako prispôsobiť perovskitové „atramenty“ zavedeným metódam tlače vo veľkom meradle. Nakoniec, zatiaľ čo najlepšie výkonné perovskity sa dnes vyrábajú s malým množstvom olova, výskumníci tiež skúmajú alternatívne kompozície a nové stratégie zapuzdrenia, aby zmiernili obavy spojené s toxicitou olova.
Ako CEI napreduje s perovskitmi?
Kryštály perovskitu často vykazujú defekty v atómovom meradle, ktoré môžu znížiť účinnosť slnečnej premeny. Hlavný vedec CEI a profesor chémie David Ginger vyvinul „pasivačné“ techniky, ktoré liečia perovskity rôznymi chemickými zlúčeninami na liečenie týchto defektov. Ale keď sú perovskitové kryštály zostavené do solárnych článkov, elektródy na zber prúdu môžu vytvárať ďalšie defekty. V roku 2019 Ginger a jeho spolupracovníci z Georgia Tech dostali finančné prostriedky od Úradu pre solárne technológie (SETO) Ministerstva energetiky USA na vývoj nových pasivačných stratégií a nových materiálov na zber náboja, čo umožní perovskitovým solárnym článkom dosiahnuť svoj plný potenciál účinnosti a zároveň zostať kompatibilné. s nízkonákladovou výrobou.
Profesor chémie Daniel Gamelin a jeho skupina sa zameriavajú na modifikáciu kremíkových solárnych článkov s perovskitovými povlakmi, aby efektívnejšie zbierali vysokoenergetické fotóny modrého svetla, čím sa obchádza teoretický limit 33% konverzie pre konvenčné kremíkové články. Gamelin a jeho tím vyvinuli perovskitové kvantové bodky – drobné častice tisíckrát menšie ako ľudský vlas – ktoré dokážu absorbovať vysokoenergetické fotóny a emitovať dvakrát toľko nízkoenergetických fotónov, proces nazývaný „kvantové rezanie“. Každý fotón absorbovaný solárnym článkom generuje jeden elektrón, takže povlak perovskitových kvantových bodiek by mohol dramaticky zvýšiť účinnosť konverzie.
Gamelin a jeho tím vytvorili vedľajšiu spoločnosť s názvom BlueDot Photonic na komercializáciu technológie. S financovaním od SETO vyvíjajú Gamelin a BlueDot techniky nanášania na vytváranie tenkých vrstiev perovskitových materiálov pre veľkoplošné solárne články a na vylepšenie konvenčných kremíkových solárnych článkov.
Profesor chemického inžinierstva Hugh Hillhouse používa algoritmy strojového učenia na pomoc pri výskume perovskitov. Pomocou fotoluminiscencie zachytenej vysokorýchlostným videom Hillhouse a jeho skupina testujú rôzne hybridné perovskity na dlhodobú stabilitu. Tieto experimenty vytvárajú obrovské súbory údajov, ale pomocou strojového učenia sa zameriavajú na vytvorenie prediktívneho modelu degradácie pre perovskitové solárne články. Tento model im môže pomôcť optimalizovať chemické zloženie a štruktúru perovskitového solárneho článku pre dlhodobú stabilitu - kľúčovú prekážku komercializácie.
V laboratóriu theWashington Clean Energy Testbeds, laboratóriu s otvoreným prístupom, ktoré prevádzkuje CEI, môžu výskumníci a podnikatelia využívať najmodernejšie vybavenie na vývoj, testovanie a škálovanie technológií, ako sú perovskitové solárne články. Pomocou tlačiarne roll to roll na testovacích lôžkach možno perovskitové atramenty tlačiť pri nízkych teplotách na flexibilné substráty. Technický riaditeľ testovacieho zariadeniaJ. Devin MacKenzie, profesor materiálovej vedy& inžinierstvo a strojárstvo v UW je odborníkom na materiály a techniky pre vysokovýkonnú výrobu s nízkou uhlíkovou stopou. Jeden z najaktívnejších projektov jeho skupiny, ktorý je tiež financovaný zo strany SETO, vyvíja in situ nástroje, ktoré dokážu merať rast perovskitových kryštálov, ktoré sa rýchlo ukladajú počas tlače z kotúča na kotúč. S podporou Spoločného centra pre rozvoj a Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzieho skupina tiež používa tlačiareň s najvyšším rozlíšením na svete na vývoj nových elektród na vytiahnutie elektrického prúdu z perovskitových solárnych článkov bez blokovania slnečného svetla prenikať do bunky.
Technický riaditeľ spoločnosti Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie pri demonštrácii viacstupňovej rolovacej tlačiarne pre flexibilnú elektroniku spoločnosti Testbeds. (Inštitút čistej energie)
