Źródło: cei.washington.edu/
Co to jest perowskit
Perowskit to materiał, który ma taką samą strukturę krystaliczną jak mineralny tlenek tytanowo-wapniowy, pierwszy odkryty kryształ perowskitu. Ogólnie związki perowskitu mają wzór chemiczny ABX3, gdzie „A” i „B” oznaczają kationy, a X jest anionem, który łączy się z obydwoma. Wiele różnych elementów można łączyć ze sobą, tworząc struktury perowskitu. Wykorzystując tę elastyczność kompozycyjną, naukowcy mogą projektować kryształy perowskitu tak, aby miały szeroką gamę właściwości fizycznych, optycznych i elektrycznych. Kryształy perowskitu znajdują się dziś w maszynach ultradźwiękowych, chipach pamięci, a teraz – ogniwach słonecznych.
Schemat struktury kryształu perowskitu. (Wikimedia Commons)
Zastosowania czystej energii perowskitów
Wszystkie fotowoltaiczne ogniwa słoneczne opierają się na półprzewodnikach — materiałach pośredniczących między izolatorami elektrycznymi, takimi jak szkło, a przewodnikami metalowymi, takimi jak miedź — do przekształcania energii ze światła w energię elektryczną. Światło słoneczne wzbudza elektrony w materiale półprzewodnikowym, które wpadają do elektrod przewodzących i wytwarzają prąd elektryczny.
Krzem jest podstawowym materiałem półprzewodnikowym stosowanym w ogniwach słonecznych od lat 50. XX wieku, ponieważ jego właściwości półprzewodnikowe dobrze dopasowują się do widma promieni słonecznych i są stosunkowo liczne i stabilne. Jednak duże kryształy krzemu stosowane w konwencjonalnych panelach słonecznych wymagają kosztownego, wieloetapowego procesu produkcyjnego, który zużywa dużo energii. W poszukiwaniu alternatywy naukowcy wykorzystali przestrajanie perowskitów do tworzenia półprzewodników o właściwościach podobnych do krzemu. Ogniwa słoneczne z perowskitu można wytwarzać przy użyciu prostych, addytywnych technik osadzania, takich jak drukowanie, za ułamek kosztów i energii. Ze względu na kompozycyjną elastyczność perowskitów można je również dostroić, aby idealnie pasowały do widma słonecznego.
W 2012 roku naukowcy po raz pierwszy odkryli, jak wykonać stabilne, cienkowarstwowe ogniwo słoneczne z perowskitu o sprawności konwersji światła foton-elektron powyżej 10%, wykorzystując perowskity z halogenku ołowiu jako warstwę pochłaniającą światło. Od tego czasu wydajność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną ogniw słonecznych perowskitowych gwałtownie wzrosła, a rekord laboratoryjny wyniósł 25,2%. Naukowcy łączą również ogniwa słoneczne perowskitowe z konwencjonalnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi – rekordowe wydajności dla tych tandemowych ogniw „perowskitowych na krzemie” wynoszą obecnie 29,1% (przewyższając rekord 27% dla konwencjonalnych ogniw krzemowych) i szybko rosną. Dzięki temu szybkiemu wzrostowi wydajności ogniw perowskitowe ogniwa słoneczne i tandemowe ogniwa słoneczne perowskitowe mogą wkrótce stać się tanią, wysoce wydajną alternatywą dla konwencjonalnych krzemowych ogniw słonecznych.
Przekrój ogniwa słonecznego z perowskitu. (Instytut Czystej Energii)
Jakie są obecne cele badawcze?
Podczas gdy ogniwa słoneczne perowskitowe, w tym perowskit na tandemach krzemowych, są komercjalizowane przez dziesiątki firm na całym świecie, nadal istnieją podstawowe wyzwania naukowe i inżynieryjne, które mogą poprawić ich wydajność, niezawodność i możliwości produkcyjne.
Niektórzy badacze perowskitu nadal zwiększają wydajność konwersji, charakteryzując defekty w perowskicie. Podczas gdy półprzewodniki perowskitowe są wyjątkowo odporne na defekty, defekty nadal – negatywnie wpływają na wydajność – zwłaszcza te występujące na powierzchni warstwy aktywnej. Inni badacze badają nowe formuły chemiczne perowskitu, zarówno w celu dostrojenia ich właściwości elektronicznych do określonych zastosowań (takich jak stosy ogniw tandemowych), jak i dalszej poprawy ich stabilności i żywotności.
Naukowcy pracują również nad nowymi projektami ogniw, nowymi strategiami enkapsulacji w celu ochrony perowskitów przed środowiskiem oraz nad zrozumieniem podstawowych szlaków degradacji, aby móc wykorzystać badania przyspieszonego starzenia do przewidywania trwałości perowskitowych ogniw słonecznych na dachach. Inni szybko badają różne procesy produkcyjne, w tym sposoby dostosowania „atramentów” perowskitu do ustalonych metod drukowania na dużą skalę. Wreszcie, podczas gdy obecnie najlepiej działające perowskity są wytwarzane z niewielką ilością ołowiu, naukowcy badają również alternatywne składy i nowe strategie enkapsulacji, aby złagodzić obawy związane z toksycznością ołowiu.
Jak rozwijają się perowskity CEI?
Kryształy perowskitu często wykazują defekty w skali atomowej, które mogą zmniejszać wydajność konwersji słonecznej. Główny naukowiec CEI i profesor chemii, David Ginger, opracował techniki „pasywacji”, traktując perowskity różnymi związkami chemicznymi, aby leczyć te defekty. Ale kiedy kryształy perowskitu są montowane w ogniwach słonecznych, elektrody zbierające prąd mogą powodować dodatkowe defekty. W 2019 r. Ginger i współpracownicy z Georgia Tech otrzymali finansowanie z Biura Technologii Energii Słonecznej Departamentu Energii USA (SETO) na opracowanie nowych strategii pasywacji i nowych materiałów do zbierania ładunku, co pozwoli ogniwom słonecznym perowskitowym osiągnąć pełny potencjał wydajności przy zachowaniu kompatybilności z tanią produkcją.
Profesor chemii Daniel Gamelin i jego grupa mają na celu zmodyfikowanie krzemowych ogniw słonecznych za pomocą powłok perowskitowych w celu wydajniejszego zbierania wysokoenergetycznych fotonów niebieskiego światła, z pominięciem teoretycznej granicy 33% konwersji dla konwencjonalnych ogniw krzemowych. Gamelin i jego zespół opracowali perowskitowe kropki kwantowe – maleńkie cząstki tysiące razy mniejsze od ludzkiego włosa – które mogą absorbować fotony o wysokiej energii i emitować dwa razy więcej fotonów o niskiej energii. Proces ten nazywa się „cięciem kwantowym”. Każdy foton zaabsorbowany przez ogniwo słoneczne generuje jeden elektron, więc powłoka kropki kwantowej perowskitu może radykalnie zwiększyć wydajność konwersji.
Gamelin i jego zespół utworzyli firmę spin-off o nazwie BlueDot Photonicsto, aby skomercjalizować tę technologię. Dzięki finansowaniu z SETO, Gamelin i BlueDot opracowują techniki osadzania w celu tworzenia cienkich warstw materiałów perowskitowych do wielkopowierzchniowych ogniw słonecznych oraz do ulepszania konwencjonalnych krzemowych ogniw słonecznych.
Profesor inżynierii chemicznej Hugh Hillhouse wykorzystuje algorytmy uczenia maszynowego do wspomagania badań nad perowskitami. Wykorzystując fotoluminescencję uchwyconą przez szybkie wideo, Hillhouse i jego grupa testują różne hybrydowe perowskity pod kątem długoterminowej stabilności. Eksperymenty te generują ogromne zbiory danych, ale wykorzystując uczenie maszynowe, mają na celu wygenerowanie predykcyjnego modelu degradacji perowskitowych ogniw słonecznych. Model ten może pomóc im zoptymalizować skład chemiczny i strukturę ogniwa słonecznego z perowskitu pod kątem długoterminowej stabilności — kluczowej bariery dla komercjalizacji.
W Washington Clean Energy Testbeds, otwartej placówce laboratoryjnej obsługiwanej przez CEI, naukowcy i przedsiębiorcy mogą wykorzystywać najnowocześniejszy sprzęt do opracowywania, testowania i skalowania technologii, takich jak perowskitowe ogniwa słoneczne. Używając drukarki rolkowej na stanowiskach testowych, atramenty perowskitowe można drukować w niskich temperaturach na elastycznych podłożach. Dyrektor techniczny stanowisk testowychJ. Devin MacKenzie, profesor materiałoznawstwa& inżynierii i inżynierii mechanicznej na UW, jest ekspertem w zakresie materiałów i technik produkcji o wysokiej wydajności i niskim śladzie węglowym. Jednym z najaktywniejszych projektów jego grupy, również finansowanym przez SETO, jest opracowywanie instrumentów in situ, które mogą mierzyć wzrost kryształów perowskitu, ponieważ są one szybko osadzane podczas drukowania z roli na rolę. Przy wsparciu Joint Centre for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), grupa MacKenzie wykorzystuje również drukarkę o najwyższej na świecie rozdzielczości do opracowania nowych elektrod do wyciągania prądu elektrycznego z perowskitowych ogniw słonecznych bez blokowania dostępu światła słonecznego do ogniwa.
Dyrektor techniczny Washington Clean Energy Testbeds, J. Devin MacKenzie, demonstruje wieloetapową drukarkę Roll-to-Roll firmy Testbeds dla elastycznej elektroniki. (Instytut Czystej Energii)
