Allikas:news.mit.edu
Perovskiidid lubavad luua päikesepaneele, mida saab hõlpsasti ladestada enamikule pindadele, sealhulgas elastsetele ja tekstureeritud pindadele. Need materjalid oleksid ka kerged, odavad toota ja sama tõhusad kui tänapäeva juhtivad fotogalvaanilised materjalid, milleks on peamiselt räni. Neid uuritakse ja investeeritakse üha rohkem, kuid ettevõtted, kes soovivad oma potentsiaali ära kasutada, peavad lahendama mõned ülejäänud tõkked, enne kui perovskiidil põhinevad päikesepatareid saavad äriliselt konkurentsivõimeliseks saada.
Mõiste perovskiit ei viita mitte konkreetsele materjalile, nagu räni või kaadmiumtelluriid, mis on fotogalvaanilise valdkonna teised juhtivad kandidaatid, vaid tervet ühendite perekonda. Päikesematerjalide perovskiitide perekond on oma nime saanud selle struktuurilise sarnasuse tõttu mineraaliga nimega perovskiit, mis avastati 1839. aastal ja sai nime Vene mineraloogi LA Perovski järgi.
Algsel mineraalsel perovskiidil, mis on kaltsiumtitaanoksiid (CaTiO3), on iseloomulik kristallkonfiguratsioon. Sellel on kolmeosaline struktuur, mille komponente on hakatud tähistama A, B ja X, milles on põimitud erinevate komponentide võred. Perovskiitide perekond koosneb paljudest võimalikest elementide või molekulide kombinatsioonidest, mis võivad hõivata kõik kolm komponenti ja moodustada algse perovskiidi enda struktuuriga sarnase struktuuri. (Mõned uurijad isegi rikuvad reegleid veidi, nimetades teisi sarnaste elementidega kristallstruktuure "perovskiitideks", kuigi kristallograafid taunivad seda.)
"Te saate aatomeid ja molekule struktuuriga segada ja sobitada teatud piirangutega. Näiteks kui proovite struktuuri toppida liiga suurt molekuli, moonutate seda. Lõpuks võite põhjustada 3D-kristalli eraldumise. 2D kihiline struktuur või kaotate järjestatud struktuuri täielikult, " ütleb Tonio Buonassisi, MIT masinaehituse professor ja fotogalvaanika uurimislabori direktor. "Perovskiidid on hästi häälestatavad, nagu kristallstruktuuride ehitamine ise, seiklus," ütleb ta.
See põimitud võre struktuur koosneb ioonidest või laetud molekulidest, millest kaks (A ja B) on positiivselt laetud ja teine (X) negatiivselt laetud. A- ja B-ioonid on tavaliselt üsna erineva suurusega, kusjuures A on suurem.
Perovskiitide üldises kategoorias on mitut tüüpi, sealhulgas metalloksiidperovskite, mis on leidnud rakendusi katalüüsis ning energia salvestamisel ja muundamisel, näiteks kütuseelementides ja metall-õhkpatareides. Kuid enam kui kümne aasta jooksul on uurimistegevuse põhirõhk olnud pliihalogeniidperovskiitidel, ütleb Buonassisi.
Selles kategoorias on veel palju võimalusi ja laborid üle maailma võitlevad tüütu tööga, püüdes leida variatsioone, mis näitavad parimat tõhusust, kulusid ja vastupidavust – mis on siiani olnud kõige keerulisem. kolmest.
Paljud meeskonnad on keskendunud ka variatsioonidele, mis välistavad plii kasutamise, et vältida selle keskkonnamõju. Buonassisi märgib siiski, et "aja jooksul pidevalt paranevad pliipõhised seadmed oma jõudluses ja ükski teine kompositsioon ei jõudnud elektroonilise jõudluse poolest lähedale." Töö alternatiivide uurimisel jätkub, kuid praegu ei suuda ükski pliihalogeniidide versioonidega konkureerida.
Ta ütleb, et perovskiitide üks suuri eeliseid on nende suurepärane taluvus konstruktsiooni defektide suhtes. Erinevalt ränist, mille elektroonikaseadmetes hästi toimimiseks on vaja ülikõrget puhtust, võivad perovskiidid hästi toimida ka paljude puuduste ja lisanditega.
Perovskiitide jaoks paljutõotavate uute kandidaatkompositsioonide otsimine sarnaneb nõela otsimisega heinakuhjas, kuid hiljuti on teadlased välja pakkunud masinõppesüsteemi, mis võib seda protsessi oluliselt lihtsustada. See uus lähenemisviis võib viia uute alternatiivide palju kiirema väljatöötamiseni, ütleb Buonassisi, kes oli selle uuringu kaasautor.
Kuigi perovskiidid näitavad jätkuvalt suuri lubadusi ja mitmed ettevõtted valmistuvad juba kommertstootmise alustamiseks, on vastupidavus endiselt suurim takistus, millega nad silmitsi seisavad. Kui räni päikesepaneelid säilitavad 25 aasta pärast kuni 90 protsenti oma võimsusest, lagunevad perovskiidid palju kiiremini. On tehtud suuri edusamme – esialgsed proovid kestsid vaid paar tundi, seejärel nädalaid või kuid, kuid uuemate preparaatide kasutusiga on kuni paar aastat, mis sobivad mõneks rakenduseks, kus pikaealisus ei ole oluline.
Uurimistöö seisukohalt on Buonassisi sõnul perovskiitide üks eelis see, et neid on laboris suhteliselt lihtne valmistada – keemilised koostisosad kogunevad kergesti. Kuid see on ka nende miinus: "Toatemperatuuril läheb materjal väga kergesti kokku," ütleb ta, "aga see läheb ka toatemperatuuril väga kergesti lahti. Lihtne tulla, lihtne minna!"
Selle probleemi lahendamiseks on enamik teadlasi keskendunud mitmesuguste kaitsematerjalide kasutamisele perovskiidi kapseldamiseks, kaitstes seda õhu ja niiskuse eest. Kuid teised uurivad täpseid mehhanisme, mis selle lagunemiseni viivad, lootes leida koostisi või ravimeetodeid, mis on oma olemuselt tugevamad. Peamine järeldus on see, et lagunemises on suuresti süüdi protsess, mida nimetatakse autokatalüüsiks.
Autokatalüüsis, niipea kui üks osa materjalist hakkab lagunema, toimivad selle reaktsioonisaadused katalüsaatoritena, mis hakkavad lagundama naaberstruktuuri osi, ja algab põgenemisreaktsioon. Sarnane probleem esines ka mõnede teiste elektroonikamaterjalide, näiteks orgaaniliste valgusdioodide (OLED) varases uurimistöös ja lõpuks lahendati see toorainele täiendavate puhastamisetappide lisamisega, nii et sarnase lahenduse võib leida ka perovskiidid, soovitab Buonassisi.
Buonassisi ja tema kaasuurijad lõpetasid hiljuti uuringu, mis näitas, et kui perovskiitide kasutusiga jõuab vähemalt kümne aastani, tänu nende palju madalamale alghinnale, mis oleks piisav, et muuta need räni asendajaks suures ja kasulikus toodangus majanduslikult elujõuliseks. mastaapsed päikesefarmid.
Üldiselt on perovskiitide väljatöötamine olnud muljetavaldav ja julgustav, ütleb ta. Vaid mõneaastase tööga on see juba saavutanud efektiivsuse, mis on võrreldav tasemega, mida kaadmiumtelluriid (CdTe), "mis on olnud kasutusel palju kauem, on ikka veel hädas, et saavutada," ütleb ta. "Lihtsus, millega need kõrgemad jõudlused selles uues materjalis saavutatakse, on peaaegu jahmatav." Võrreldes 1-protsendilise tõhususe parandamiseks kulutatud uurimistöö aega, ütleb ta, et perovskiitide areng on olnud kuskil 100–1, 000 korda kiirem kui CdTe puhul. "See on üks põhjusi, miks see nii põnev on," ütleb ta.
