Zdroj:news.mit.edu
Perovskity sľubujú vytváranie solárnych panelov, ktoré by sa dali ľahko umiestniť na väčšinu povrchov, vrátane flexibilných a štruktúrovaných. Tieto materiály by boli tiež ľahké, lacné na výrobu a rovnako účinné ako súčasné popredné fotovoltaické materiály, ktorými sú najmä kremík. Sú predmetom rastúceho výskumu a investícií, ale spoločnosti, ktoré chcú využiť svoj potenciál, musia vyriešiť niektoré zostávajúce prekážky, kým budú solárne články na báze perovskitu komerčne konkurencieschopné.
Termín perovskit sa nevzťahuje na konkrétny materiál, ako je kremík alebo telurid kadmia, iných popredných uchádzačov vo fotovoltaickej oblasti, ale na celú rodinu zlúčenín. Rodina perovskitových solárnych materiálov je pomenovaná pre svoju štrukturálnu podobnosť s minerálom nazývaným perovskit, ktorý bol objavený v roku 1839 a pomenovaný po ruskom mineralógovi LA Perovskom.
Pôvodný minerál perovskit, ktorým je oxid vápenatý a titaničitý (CaTiO3), má výraznú kryštálovú konfiguráciu. Má trojdielnu štruktúru, ktorej komponenty boli označené A, B a X, v ktorej sú mriežky rôznych komponentov prepletené. Rodina perovskitov pozostáva z mnohých možných kombinácií prvkov alebo molekúl, ktoré môžu obsadiť každú z troch zložiek a vytvoriť štruktúru podobnú štruktúre samotného pôvodného perovskitu. (Niektorí výskumníci dokonca trochu ohýbajú pravidlá pomenovaním iných kryštálových štruktúr s podobnými prvkami „perovskity“, hoci to kryštalografi odmietajú.)
"Môžete miešať a spájať atómy a molekuly do štruktúry s určitými obmedzeniami. Napríklad, ak sa pokúsite do štruktúry napchať molekulu, ktorá je príliš veľká, skreslíte ju. Nakoniec môžete spôsobiť, že sa 3D kryštál rozdelí na 2D vrstvenú štruktúru alebo úplne stratíte usporiadanú štruktúru,“ hovorí Tonio Buonassisi, profesor strojárstva na MIT a riaditeľ Laboratória pre výskum fotovoltaiky. "Perovskity sú vysoko laditeľné, ako typ kryštálovej štruktúry, ktorý si vytvoríte podľa vlastného dobrodružstva," hovorí.
Táto štruktúra prepletených mriežok pozostáva z iónov alebo nabitých molekúl, z ktorých dva (A a B) sú nabité kladne a druhá (X) je nabitá záporne. Ióny A a B majú zvyčajne celkom rozdielne veľkosti, pričom ióny A sú väčšie.
V rámci celkovej kategórie perovskitov existuje množstvo typov vrátane perovskitov na báze oxidov kovov, ktoré našli uplatnenie pri katalýze a pri skladovaní a konverzii energie, ako napríklad v palivových článkoch a batériách typu kov-vzduch. Podľa Buonassisiho sa však hlavné zameranie výskumnej činnosti už viac ako desať rokov zameriava na halogenidové perovskity olova.
V rámci tejto kategórie stále existuje množstvo možností a laboratóriá po celom svete sa pretekajú v únavnej práci, v ktorej sa snažia nájsť variácie, ktoré vykazujú najlepší výkon z hľadiska účinnosti, nákladov a životnosti – čo bolo doteraz najnáročnejšie. z troch.
Mnohé tímy sa zamerali aj na varianty, ktoré eliminujú používanie olova, aby sa predišlo jeho dopadu na životné prostredie. Buonassisi však poznamenáva, že "v priebehu času sa olovené zariadenia neustále zlepšujú vo svojom výkone a žiadna z ostatných kompozícií sa nepriblížila z hľadiska elektronického výkonu." Pokračuje práca na skúmaní alternatív, ale zatiaľ žiadna nemôže konkurovať verziám halogenidu olova.
Jednou z veľkých výhod, ktoré perovskity ponúkajú, je ich veľká tolerancia defektov v štruktúre, hovorí. Na rozdiel od kremíka, ktorý vyžaduje extrémne vysokú čistotu, aby dobre fungoval v elektronických zariadeniach, perovskity môžu dobre fungovať aj s mnohými nedokonalosťami a nečistotami.
Hľadanie sľubných nových kandidátskych kompozícií pre perovskitov je trochu ako hľadanie ihly v kope sena, no nedávno vedci prišli so systémom strojového učenia, ktorý môže tento proces výrazne zefektívniť. Tento nový prístup by mohol viesť k oveľa rýchlejšiemu vývoju nových alternatív, hovorí Buonassisi, ktorý bol spoluautorom tohto výskumu.
Zatiaľ čo perovskity sú stále veľmi sľubné a niekoľko spoločností sa už pripravuje na komerčnú výrobu, najväčšou prekážkou, ktorej čelia, zostáva životnosť. Kým kremíkové solárne panely si po 25 rokoch zachovajú až 90 percent svojho výkonu, perovskity sa degradujú oveľa rýchlejšie. Dosiahol sa veľký pokrok – počiatočné vzorky vydržali len niekoľko hodín, potom týždňov alebo mesiacov, ale novšie formulácie majú použiteľnú životnosť až niekoľko rokov, čo je vhodné pre niektoré aplikácie, kde nie je dôležitá životnosť.
Z hľadiska výskumu, Buonassisi hovorí, že jednou z výhod perovskitov je to, že sa dajú relatívne ľahko vyrobiť v laboratóriu - chemické zložky sa ľahko zostavujú. Ale to je aj ich nevýhoda: "Materiál sa pri izbovej teplote veľmi ľahko spája," hovorí, "ale aj pri izbovej teplote sa veľmi ľahko rozpadá. Easy come, easy go!"
Na vyriešenie tohto problému sa väčšina výskumníkov zameriava na použitie rôznych druhov ochranných materiálov na zapuzdrenie perovskitu, ktoré ho chránia pred vystavením vzduchu a vlhkosti. Iní však študujú presné mechanizmy, ktoré vedú k tejto degradácii, v nádeji, že nájdu formulácie alebo liečby, ktoré sú vo svojej podstate robustnejšie. Kľúčovým zistením je, že za poruchu je do značnej miery zodpovedný proces nazývaný autokatalýza.
Pri autokatalýze, akonáhle jedna časť materiálu začne degradovať, jeho reakčné produkty fungujú ako katalyzátory, ktoré začnú degradovať susedné časti štruktúry a spustí sa nekontrolovaná reakcia. Podobný problém existoval v ranom výskume niektorých iných elektronických materiálov, ako sú organické diódy emitujúce svetlo (OLED), a nakoniec sa vyriešil pridaním ďalších čistiacich krokov k surovinám, takže podobné riešenie možno nájsť v prípade perovskity, navrhuje Buonassisi.
Buonassisi a jeho spoluvýskumníci nedávno dokončili štúdiu, ktorá ukazuje, že akonáhle perovskity dosiahnu použiteľnú životnosť aspoň desať rokov, vďaka ich oveľa nižším počiatočným nákladom, ktoré by postačovali na to, aby boli ekonomicky životaschopné ako náhrada za kremík vo veľkých úžitkových solárne farmy.
Celkovo bol pokrok vo vývoji perovskitov pôsobivý a povzbudzujúci, hovorí. Len s niekoľkými rokmi práce už dosiahol účinnosť porovnateľnú s úrovňami, ktoré telurid kadmia (CdTe), „ktorý existuje už oveľa dlhšie, sa stále snaží dosiahnuť,“ hovorí. "Jednoduchosť, s akou sú tieto vyššie výkony dosiahnuté v tomto novom materiáli, je takmer ohromujúca." Pri porovnaní množstva času stráveného výskumom na dosiahnutie 1-percentného zlepšenia efektívnosti, hovorí, pokrok na perovskitoch bol niekde medzi 100 a 1,000-krát rýchlejší ako na CdTe. „To je jeden z dôvodov, prečo je to také vzrušujúce,“ hovorí.