Źródło: news.mit.edu
Perowskity dają nadzieję na tworzenie paneli słonecznych, które można łatwo osadzać na większości powierzchni, w tym elastycznych i teksturowanych. Materiały te byłyby również lekkie, tanie w produkcji i tak wydajne, jak dzisiejsze wiodące materiały fotowoltaiczne, które składają się głównie z krzemu. Są przedmiotem rosnących badań i inwestycji, ale firmy, które chcą wykorzystać ich potencjał, muszą stawić czoła niektórym pozostałym przeszkodom, zanim ogniwa słoneczne na bazie perowskitów staną się konkurencyjne komercyjnie.
Termin perowskit nie odnosi się do konkretnego materiału, takiego jak krzem lub tellurek kadmu, innych czołowych pretendentów w dziedzinie fotowoltaiki, ale do całej rodziny związków. Rodzina perowskitów materiałów słonecznych została nazwana ze względu na podobieństwo strukturalne do minerału zwanego perowskitem, który został odkryty w 1839 roku i nazwany na cześć rosyjskiego mineraloga LA Perowskiego.
Oryginalny perowskit mineralny, którym jest tlenek wapniowo-tytanowy (CaTiO3), ma charakterystyczną konfigurację krystaliczną. Ma trzyczęściową strukturę, której elementy zaczęto oznaczać jako A, B i X, w której przeplatają się siatki różnych składników. Rodzina perowskitów składa się z wielu możliwych kombinacji pierwiastków lub cząsteczek, które mogą zajmować każdy z trzech składników i tworzyć strukturę podobną do struktury samego oryginalnego perowskitu. (Niektórzy badacze nawet trochę naginają zasady, nazywając inne struktury krystaliczne z podobnymi pierwiastkami „perowskitami”, chociaż krystalografowie nie widzą w tym nic pozytywnego).
„Możesz mieszać i dopasowywać atomy i cząsteczki do struktury, z pewnymi ograniczeniami. Na przykład, jeśli spróbujesz wepchnąć do struktury cząsteczkę, która jest zbyt duża, zniekształcisz ją. W końcu możesz spowodować, że kryształ 3D rozdzieli się na warstwową strukturę 2D lub całkowicie utracić uporządkowaną strukturę”, mówi Tonio Buonassisi, profesor inżynierii mechanicznej na MIT i dyrektor Laboratorium Badawczego Fotowoltaiki. "Perowskity są wysoce przestrajalne, podobnie jak struktura krystaliczna typu budowania własnej przygody" - mówi.
Ta struktura przeplatających się sieci składa się z jonów lub naładowanych cząsteczek, z których dwie (A i B) są naładowane dodatnio, a druga (X) naładowana ujemnie. Jony A i B mają zazwyczaj całkiem różne rozmiary, przy czym jony A są większe.
W ramach ogólnej kategorii perowskitów istnieje wiele rodzajów, w tym perowskity z tlenków metali, które znalazły zastosowanie w katalizie oraz magazynowaniu i konwersji energii, na przykład w ogniwach paliwowych i bateriach metalowo-powietrznych. Według Buonassisi, głównym celem działalności badawczej od ponad dekady były perowskity z halogenkiem ołowiu.
W tej kategorii wciąż istnieje legion możliwości, a laboratoria na całym świecie prześcigają się w żmudnej pracy polegającej na znalezieniu odmian, które wykazują najlepszą wydajność pod względem wydajności, kosztów i trwałości — co do tej pory było największym wyzwaniem z trzech.
Wiele zespołów skupiło się również na odmianach, które eliminują użycie ołowiu, aby uniknąć jego wpływu na środowisko. Buonassisi zauważa jednak, że „z biegiem czasu urządzenia oparte na ołowiu nadal poprawiają swoje działanie, a żadna inna kompozycja nie zbliżyła się pod względem wydajności elektronicznej”. Trwają prace nad badaniem alternatyw, ale na razie żadna nie może konkurować z wersjami z halogenkiem ołowiu.
Mówi, że jedną z wielkich zalet perowskitów jest ich duża tolerancja na wady struktury. W przeciwieństwie do krzemu, który wymaga wyjątkowo wysokiej czystości, aby dobrze funkcjonować w urządzeniach elektronicznych, perowskity mogą dobrze funkcjonować nawet z licznymi niedoskonałościami i zanieczyszczeniami.
Poszukiwanie obiecujących nowych składów kandydujących na perowskity jest trochę jak szukanie igły w stogu siana, ale ostatnio naukowcy opracowali system uczenia maszynowego, który może znacznie usprawnić ten proces. To nowe podejście może doprowadzić do znacznie szybszego opracowania nowych alternatyw, mówi Buonassisi, który był współautorem tych badań.
Podczas gdy perowskity nadal są bardzo obiecujące, a kilka firm już przygotowuje się do rozpoczęcia komercyjnej produkcji, największą przeszkodą pozostaje trwałość. Podczas gdy krzemowe panele słoneczne zachowują do 90 procent swojej mocy wyjściowej po 25 latach, perowskity degradują się znacznie szybciej. Poczyniono ogromne postępy — początkowe próbki wytrzymywały zaledwie kilka godzin, potem tygodni lub miesięcy, ale nowsze preparaty mają użyteczną żywotność do kilku lat, odpowiednią do niektórych zastosowań, w których długowieczność nie jest niezbędna.
Z perspektywy badawczej, mówi Buonassisi, jedną z zalet perowskitów jest to, że są one stosunkowo łatwe do wykonania w laboratorium – składniki chemiczne łatwo się łączą. Ale to także ich wada: „Materiał bardzo łatwo łączy się w temperaturze pokojowej”, mówi, „ale bardzo łatwo się rozpada w temperaturze pokojowej. Łatwo przyszło, łatwo poszło!”
Aby poradzić sobie z tym problemem, większość badaczy koncentruje się na zastosowaniu różnego rodzaju materiałów ochronnych do hermetyzacji perowskitu, chroniąc go przed działaniem powietrza i wilgoci. Ale inni badają dokładne mechanizmy, które prowadzą do tej degradacji, w nadziei na znalezienie preparatów lub metod leczenia, które są z natury bardziej wytrzymałe. Kluczowym odkryciem jest to, że proces zwany autokatalizą jest w dużej mierze odpowiedzialny za awarię.
W autokatalizie, gdy tylko jedna część materiału zaczyna się rozkładać, produkty jej reakcji działają jak katalizatory, rozpoczynając degradację sąsiednich części struktury i rozpoczyna się niekontrolowana reakcja. Podobny problem istniał we wczesnych badaniach nad niektórymi innymi materiałami elektronicznymi, takimi jak organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED), i ostatecznie został rozwiązany przez dodanie dodatkowych etapów oczyszczania surowców, więc podobne rozwiązanie można znaleźć w przypadku perowskity, sugeruje Buonassisi.
Buonassisi i jego współpracownicy niedawno zakończyli badanie wykazujące, że gdy perowskity osiągną użyteczną żywotność wynoszącą co najmniej dekadę, dzięki ich znacznie niższym kosztom początkowym, które byłyby wystarczające, aby były ekonomicznie opłacalne jako substytut krzemu w dużych, użytkowych skalować farmy fotowoltaiczne.
Ogólnie rzecz biorąc, postęp w rozwoju perowskitów jest imponujący i zachęcający - mówi. W ciągu zaledwie kilku lat pracy osiągnął już wydajność porównywalną z poziomami, z którymi tellurek kadmu (CdTe), „który istnieje znacznie dłużej, wciąż ma trudności z osiągnięciem”, mówi. „Łatwość, z jaką te wyższe osiągi są osiągane w tym nowym materiale, jest niemal oszałamiająca”. Porównując ilość czasu poświęconego na badania, aby uzyskać 1-procentową poprawę wydajności, stwierdza, że postęp w dziedzinie perowskitów był od 100 do 1,{3}} razy szybszy niż w przypadku CdTe. „To jeden z powodów, dla których jest to tak ekscytujące” — mówi.
