Allikas: cei.washington.edu/
Mis on perovskiit
Perovskiit on materjal, millel on sama kristallstruktuur kui mineraalsel kaltsiumtitaanoksiidil, mis on esimene avastatud perovskiit. Üldiselt on perovskiitühendite keemiline valem ABX3, kus "A" ja "B" tähistavad katioone ja X on anioon, mis seostub mõlemaga. Perovskiitstruktuuride moodustamiseks saab kombineerida suurt hulka erinevaid elemente. Seda kompositsioonilist paindlikkust kasutades saavad teadlased kujundada perovskiitkristalle, millel on palju erinevaid füüsikalisi, optilisi ja elektrilisi omadusi. Perovskiidi kristalle leidub tänapäeval ultrahelimasinates, mälukiipides ja nüüd ka päikesepatareides.
Perovskiidi kristalli struktuuri skeem. (Wikimedia Commons)
Perovskiitide puhta energia rakendused
Kõik fotogalvaanilised päikesepatareid toetuvad pooljuhtidele – materjalidele, mis asuvad elektriisolaatorite (nt klaasi) ja metalljuhtide (nt vase) vahel –, et muuta valgusest saadav energia elektriks. Päikesest tulev valgus ergastab pooljuhtmaterjalis elektrone, mis voolavad juhtivatesse elektroodidesse ja toodavad elektrivoolu.
Räni on olnud päikesepatareides kasutatav esmane pooljuhtmaterjal alates 1950. aastatest, kuna selle pooljuhtomadused ühtivad hästi päikesekiirte spektriga ning on suhteliselt rikkalik ja stabiilne. Tavalistes päikesepaneelides kasutatavad suured ränikristallid nõuavad aga kallist mitmeastmelist tootmisprotsessi, mis kasutab palju energiat. Alternatiivi otsimisel on teadlased kasutanud perovskiitide häälestatavust, et luua räniga sarnaste omadustega pooljuhte. Perovskite päikesepatareisid saab toota lihtsate lisandite sadestamise tehnikatega, nagu trükkimine, murdosa kuludest ja energiast. Perovskiitide koostise paindlikkuse tõttu saab neid ka häälestada nii, et need sobiksid ideaalselt päikese spektriga.
2012. aastal avastasid teadlased esimest korda, kuidas valmistada stabiilne õhukese kilega perovskiit päikesepatarei valguse footoniteks elektronideks muundamise efektiivsusega üle 10%, kasutades valgust neelava kihina pliihalogeniidperovskiite. Sellest ajast alates on perovskiit-päikesepatareide päikesevalguse ja elektrienergia muundamise efektiivsus hüppeliselt tõusnud, laborirekord on 25,2%. Teadlased kombineerivad ka perovskiit-päikesepatareid tavapäraste ränist päikesepatareidega – nende "perovskiit ränil" tandemelementide rekordtõhusus on praegu 29,1% (ületades tavapäraste ränielementide rekordi 27%) ja tõuseb kiiresti. Selle rakkude tõhususe kiire tõusu tõttu võivad perovskiidist päikesepatareid ja perovskiit-tandempäikesepatareid peagi saada odavateks ja väga tõhusateks alternatiivideks tavalistele räni päikesepatareidele.
Perovskiidist päikesepatarei ristlõige. (Clean Energy Institute)
Millised on praegused uurimiseesmärgid?
Kuigi perovskiit-päikesepatareid, sealhulgas perovskiit räni tandemitel, turustavad kümned ettevõtted kogu maailmas, tuleb lahendada endiselt põhilisi teaduslikke ja inseneriprobleeme, mis võivad parandada nende jõudlust, töökindlust ja valmistatavust.
Mõned perovskite uurijad jätkavad konversiooni efektiivsuse suurendamist, iseloomustades perovskiidi defekte. Kuigi perovskiitpooljuhid on märkimisväärselt defektitaluvad, mõjutavad defektid siiski negatiivselt jõudlust, eriti need, mis esinevad aktiivse kihi pinnal. Teised teadlased uurivad uusi perovskiidi keemilisi koostisi, et häälestada nende elektroonilisi omadusi konkreetsete rakenduste jaoks (nt tandemrakkude virnad) või parandada nende stabiilsust ja eluiga.
Teadlased töötavad ka uute rakukujunduste, uute kapseldamisstrateegiate kallal, et kaitsta perovskiite keskkonna eest ja mõista põhilisi lagunemisradasid, et nad saaksid kasutada kiirendatud vananemisuuringuid, et ennustada, kuidas perovskite päikesepatareid katustel kestavad. Teised uurivad kiiresti erinevaid tootmisprotsesse, sealhulgas seda, kuidas kohandada perovskiittintindid väljakujunenud suuremahuliste lahendusprintimise meetoditega. Lõpuks, kuigi parima toimega perovskiite valmistatakse tänapäeval väikese koguse pliiga, uurivad teadlased ka alternatiivseid koostisi ja uusi kapseldamisstrateegiaid, et leevendada plii toksilisusega seotud probleeme.
Kuidas CEI perovskiite edendab?
Perovskiitkristallidel on sageli aatommastaabis defektid, mis võivad vähendada päikeseenergia muundamise efektiivsust. CEI peateadlane ja keemiaprofessor David Gingerhas töötas välja passiveerimismeetodid, töödeldes perovskiite nende defektide parandamiseks erinevate keemiliste ühenditega. Kuid kui perovskiitkristallid on kokku pandud päikesepatareideks, võivad voolu koguvad elektroodid tekitada täiendavaid defekte. 2019. aastal said Ginger ja Georgia Techi kaastöötajad USA energeetikaministeeriumi päikeseenergia tehnoloogiate büroolt (SETO) raha, et töötada välja uued passiveerimisstrateegiad ja uued laengukogumismaterjalid, mis võimaldavad perovskiit-päikesepatareidel saavutada oma täieliku tõhususe potentsiaali, jäädes siiski ühilduvaks. odavate tootmiskuludega.
Keemiaprofessor Daniel Gamelin ja tema rühma eesmärk on muuta räni päikesepatareid perovskiitkatetega, et koguda tõhusamalt sinise valguse kõrge energiaga footoneid, ületades tavapäraste ränielementide teoreetilise 33% konversiooni piiri. Gamelin ja tema meeskond on välja töötanud perovskiidist kvantpunktid - väikesed osakesed, mis on tuhandeid kordi väiksemad kui inimese juuksekarv -, mis suudavad absorbeerida suure energiaga footoneid ja eraldada kaks korda rohkem madala energiaga footoneid. Seda protsessi nimetatakse "kvantlõikamiseks". Iga päikesepatarei neeldunud footon genereerib ühe elektroni, nii et perovskiit-kvantpunktkate võib märkimisväärselt suurendada muundamise efektiivsust.
Gamelin ja tema meeskond on selle tehnoloogia turustamiseks loonud spinoff-ettevõtte BlueDot Photonics. SETO rahastusel töötavad Gamelin ja BlueDot välja sadestamise tehnikaid, et luua perovskiitmaterjalidest õhukesi kilesid suure pindalaga päikesepatareide jaoks ja tavapäraste ränist päikesepatareide täiustamiseks.
Keemiatehnika professor Hugh Hillhouse kasutab perovskiitide uurimise hõlbustamiseks masinõppe algoritme. Hillhouse ja tema rühm katsetavad kiirvideoga jäädvustatud fotoluminestsentsi abil mitmesuguseid hübriidperovskiite pikaajalise stabiilsuse tagamiseks. Need katsed loovad tohutuid andmekogumeid, kuid masinõppe abil on nende eesmärk luua perovskite päikesepatareide lagunemise ennustav mudel. See mudel võib aidata neil optimeerida perovskiit-päikesepatarei keemilist koostist ja struktuuri, et tagada pikaajaline stabiilsus – see on peamine kaubandustõke.
CEI hallatavas avatud juurdepääsuga laboratooriumis TheWashington Clean Energy Testbeds saavad teadlased ja ettevõtjad kasutada tipptasemel seadmeid selliste tehnoloogiate nagu perovskiit-päikesepatareide arendamiseks, testimiseks ja skaleerimiseks. Kasutades testbedrites rull-rulli-printerit, saab perovskiittinti printida madalal temperatuuril painduvatele aluspindadele. Testbedsi tehniline direktor J. Devin MacKenzie, materjaliteaduse&võimendi professor; UW inseneri- ja masinaehitus on suure läbilaskevõimega ja madala süsinikujalajäljega tootmise materjalide ja tehnikate ekspert. Tema grupi üks aktiivsemaid projekte, mida rahastab ka SETO, arendab in situ instrumente, mis suudavad mõõta perovskiitkristallide kasvu, kuna need sadestuvad kiiresti rullist rullile printimise ajal. Ühiskeskuse arenduskeskuse toel ja Maarikaste materjalide uurimine (JCDREAM), MacKenzie rühm kasutab maailma kõrgeima eraldusvõimega printerit ka uute elektroodide väljatöötamiseks, et tõmmata perovskite päikesepatareidest elektrivool välja, takistamata päikesevalguse sisenemist rakku.
Washingtoni Clean Energy Testbedsi tehniline direktor J. Devin MacKenzie demonstreerib Testbedsi mitmeastmelist rullist rulli printerit paindliku elektroonika jaoks. (Clean Energy Institute)
