Šaltinis: cei.washington.edu/
Kas yra perovskitas
Perovskitas yra medžiaga, kurios kristalų struktūra yra tokia pati kaip mineralinio kalcio titano oksido, pirmasis atrastas perovskito kristalas. Paprastai perovskito junginiai turi cheminę formulę ABX3, kur „A“ ir „B“ reiškia katijonus, o X yra anijonas, kuris jungiasi su abiem. Daugybė skirtingų elementų gali būti sujungti kartu, kad susidarytų perovskito struktūros. Naudodamiesi šiuo kompozicijos lankstumu, mokslininkai gali sukurti perovskito kristalus, turinčius daug įvairių fizinių, optinių ir elektrinių savybių. Perovskito kristalai šiandien randami ultragarso aparatuose, atminties lustuose, o dabar – ir saulės elementuose.
Perovskito kristalų struktūros schema. (Wikimedia Commons)
Perovskitų švarios energijos panaudojimas
Visi fotovoltiniai saulės elementai remiasi puslaidininkiais - medžiagomis, esančiomis tarp elektros izoliatorių, tokių kaip stiklas, ir metalinių laidininkų, tokių kaip varis, kad šviesos energiją paverstų elektra. Saulės šviesa sužadina puslaidininkinėje medžiagoje esančius elektronus, kurie patenka į laidžius elektrodus ir sukuria elektros srovę.
Silicis buvo pagrindinė puslaidininkinė medžiaga, naudojama saulės elementuose nuo šeštojo dešimtmečio, nes jo puslaidininkinės savybės gerai atitinka saulės spindulių spektrą ir yra gana gausus ir stabilus. Tačiau dideliems silicio kristalams, naudojamiems įprastose saulės baterijose, reikalingas brangus, daugiapakopis gamybos procesas, sunaudojantis daug energijos. Ieškodami alternatyvos, mokslininkai panaudojo perovskitų suderinamumą, kad sukurtų puslaidininkius, kurių savybės panašios į silicį. Perovskitiniai saulės elementai gali būti pagaminti naudojant paprastus, papildomus nusodinimo metodus, pavyzdžiui, spausdinimą, už nedidelę išlaidų ir energijos dalį. Dėl perovskitų kompozicinio lankstumo juos taip pat galima suderinti taip, kad jie idealiai atitiktų saulės spektrą.
2012 m. mokslininkai pirmą kartą atrado, kaip sukurti stabilų plonasluoksnį perovskito saulės elementą, kurio šviesos fotonų ir elektronų konversijos efektyvumas viršytų 10 %, naudojant švino halogenido perovskitus kaip šviesą sugeriantį sluoksnį. Nuo to laiko perovskito saulės elementų saulės šviesos konvertavimo į elektros energiją efektyvumas smarkiai išaugo, o laboratorijos rekordas siekia 25,2%. Tyrėjai taip pat derina perovskito saulės elementus su įprastiniais silicio saulės elementais – rekordinis šių „perovskito ant silicio“ tandeminių elementų efektyvumas šiuo metu yra 29,1% (viršija 27% įprastų silicio elementų rekordą) ir sparčiai auga. Dėl šio spartaus elementų efektyvumo padidėjimo perovskito saulės elementai ir perovskito tandeminiai saulės elementai netrukus gali tapti pigiomis, labai efektyviomis įprastų silicio saulės elementų alternatyvomis.
Perovskito saulės elemento skerspjūvis. (Švarios energijos institutas)
Kokie dabartiniai tyrimų tikslai?
Nors perovskitinius saulės elementus, įskaitant perovskitą ant silicio tandemų, parduoda dešimtys įmonių visame pasaulyje, vis dar reikia išspręsti pagrindinius mokslo ir inžinerijos iššūkius, kurie gali pagerinti jų veikimą, patikimumą ir pagaminamumą.
Kai kurie perovskito tyrinėtojai ir toliau skatina konversijos efektyvumą apibūdindami perovskito defektus. Nors perovskito puslaidininkiai yra nepaprastai atsparūs defektams, defektai vis tiek neigiamai veikia veikimą, ypač tie, kurie atsiranda aktyvaus sluoksnio paviršiuje. Kiti tyrėjai tiria naujas perovskito chemines formules, siekdami suderinti jų elektronines savybes konkrečioms reikmėms (pvz., Tandeminių elementų krūvoms), arba toliau pagerinti jų stabilumą ir tarnavimo laiką.
Tyrėjai taip pat kuria naujas elementų konstrukcijas, naujas kapsuliavimo strategijas, skirtas apsaugoti perovskitus nuo aplinkos, ir suprasti pagrindinius skilimo būdus, kad galėtų panaudoti pagreitinto senėjimo tyrimus, kad nuspėtų, kaip perovskito saulės elementai tarnaus ant stogų. Kiti sparčiai tiria įvairius gamybos procesus, įskaitant tai, kaip pritaikyti perovskito „rašalus“ prie nusistovėjusių didelio masto tirpalo spausdinimo metodų. Galiausiai, nors geriausiai veikiantys perovskitai šiandien gaminami naudojant nedidelį kiekį švino, mokslininkai taip pat tiria alternatyvias kompozicijas ir naujas kapsuliavimo strategijas, siekdami sumažinti su švino toksiškumu susijusius rūpesčius.
Kaip CEI skatina perovskitus?
Perovskito kristalai dažnai turi atominio masto defektų, kurie gali sumažinti saulės konversijos efektyvumą. CEI vyriausiasis mokslininkas ir chemijos profesorius Davidas Gingerhasas sukūrė „pasyvavimo“ metodus, apdorodamas perovskitus skirtingais cheminiais junginiais, kad išgydytų šiuos defektus. Tačiau kai perovskito kristalai surenkami į saulės elementus, srovę surenkantys elektrodai gali sukelti papildomų defektų. 2019 m. Ginger ir „Georgia Tech“ bendradarbiai gavo finansavimą iš JAV Energetikos departamento Saulės energijos technologijų biuro (SETO), kad sukurtų naujas pasyvavimo strategijas ir naujas įkrovų surinkimo medžiagas, leidžiančias perovskitiniams saulės elementams išnaudoti visą savo efektyvumo potencialą ir išlikti suderinamiems. su mažomis gamybos sąnaudomis.
Chemijos profesorius Danielis Gamelinas ir jo grupė siekia modifikuoti silicio saulės elementus su perovskito danga, kad būtų galima efektyviau surinkti didelės energijos mėlynos šviesos fotonus, apeinant teorinę 33% konversijos ribą įprastiems silicio elementams. Gamelinas ir jo komanda sukūrė perovskito kvantinius taškus – mažytes daleles, tūkstančius kartų mažesnius už žmogaus plauką – kurie gali sugerti didelės energijos fotonus ir išspinduliuoti dvigubai daugiau mažos energijos fotonų – šis procesas vadinamas „kvantiniu pjovimu“. Kiekvienas saulės elemento sugertas fotonas sukuria vieną elektroną, todėl perovskito kvantinio taško danga gali žymiai padidinti konversijos efektyvumą.
Gamelinas ir jo komanda įkūrė bendrovę „BlueDot Photonics“, kad komercializuoti technologiją. Remdamosi SETO finansavimu, Gamelin ir BlueDot kuria nusodinimo metodus, kad sukurtų plonas perovskito medžiagų plėveles didelio ploto saulės elementams ir tradiciniams silicio saulės elementams pagerinti.
Chemijos inžinerijos profesorius Hugh Hillhouse naudoja mašininio mokymosi algoritmus, kad padėtų tyrinėti perovskitus. Naudodami fotoliuminescenciją, užfiksuotą didelės spartos vaizdo įrašu, Hillhouse ir jo grupė išbando įvairius hibridinius perovskitus, siekdami užtikrinti ilgalaikį stabilumą. Šie eksperimentai sukuria didžiulius duomenų rinkinius, tačiau naudojant mašininį mokymąsi, jie siekia sukurti nuspėjamąjį perovskito saulės elementų degradacijos modelį. Šis modelis gali padėti optimizuoti perovskito saulės elemento cheminę sudėtį ir struktūrą, kad būtų užtikrintas ilgalaikis stabilumas – pagrindinė kliūtis komercializacijai.
„The Washington Clean Energy Testbeds“, atviros prieigos laboratorijoje, kurią valdo CEI, mokslininkai ir verslininkai gali naudoti naujausią įrangą kurdami, išbandydami ir padidindami technologijas, tokias kaip perovskito saulės elementai. Naudojant „Testbeds“ spausdintuvą iš ritinio į ritinį, perovskito rašalas gali būti spausdinamas žemoje temperatūroje ant lankstaus pagrindo. „Testbeds“ techninis direktorius J. Devin MacKenzie, medžiagų mokslo profesorius&stiprintuvas; UW inžinerija ir mechaninė inžinerija yra didelio našumo ir mažo anglies dioksido kiekio gamybos medžiagų ir metodų ekspertas. Vienas iš aktyviausių jo grupės projektų, taip pat finansuojamas SETO, kuria in situ instrumentus, galinčius išmatuoti perovskito kristalų augimą, nes jie greitai nusėda spausdinant iš ritinio į ritinį. Padedant Jungtiniam plėtros ir plėtros centrui Žemės gausių medžiagų tyrimai (JCDREAM), MacKenzie grupė taip pat naudoja didžiausios pasaulyje raiškos spausdintuvą, kad sukurtų naujus elektrodus, kurie ištrauktų elektros srovę iš perovskito saulės elementų, netrukdydami saulės spinduliams patekti į elementą.
„Washington Clean Energy Testbeds“ techninis direktorius J. Devinas MacKenzie demonstruoja „Testbeds“ daugiapakopį ritininį spausdintuvą lanksčiai elektronikai. (Švarios energijos institutas)
