Sursa: cei.washington.edu/
Ce este un perovskit
Un perovskit este un material care are aceeași structură cristalină ca și oxidul de titan de calciu mineral, primul cristal de perovskit descoperit. În general, compușii perovskiți au o formulă chimică ABX3, unde „A” și „B” reprezintă cationi și X este un anion care se leagă de ambii. Un număr mare de elemente diferite pot fi combinate împreună pentru a forma structuri de perovskit. Folosind această flexibilitate compozițională, oamenii de știință pot proiecta cristale de perovskit pentru a avea o mare varietate de caracteristici fizice, optice și electrice. Cristalele de perovskit se găsesc astăzi în aparatele cu ultrasunete, cipuri de memorie și acum în celule solare.
O schemă a unei structuri cristaline de perovskit. (Wikimedia Commons)
Aplicațiile de energie curată ale perovskiților
Toate celulele solare fotovoltaice se bazează pe semiconductori - materiale aflate la mijlocul dintre izolatorii electrici, cum ar fi sticla și conductorii metalici precum cuprul - pentru a transforma energia din lumină în electricitate. Lumina de la soare excită electronii din materialul semiconductor, care curg în electrozii conductori și produc curent electric.
Siliciul a fost principalul material semiconductor utilizat în celulele solare încă din anii 1950, deoarece proprietățile sale semiconductoare se aliniază bine cu spectrul razelor solare și este relativ abundent și stabil. Cu toate acestea, cristalele mari de siliciu utilizate în panourile solare convenționale necesită un proces de fabricație costisitor, în mai multe etape, care utilizează multă energie. În căutarea unei alternative, oamenii de știință au valorificat reglabilitatea perovskiților pentru a crea semiconductori cu proprietăți similare cu siliciul. Celulele solare perovskite pot fi fabricate folosind tehnici simple de depunere aditivă, cum ar fi imprimarea, pentru o fracțiune din cost și energie. Datorită flexibilității compoziționale a perovskiților, acestea pot fi, de asemenea, reglate pentru a se potrivi în mod ideal cu spectrul soarelui.
În 2012, cercetătorii au descoperit pentru prima dată cum să facă o celulă solară stabilă, cu peliculă subțire de perovskit, cu eficiențe de conversie foton-la-electron de peste 10%, folosind perovskiți cu halogenură de plumb ca strat de absorbție a luminii. De atunci, eficiența de conversie a luminii solare în energie electrică a celulelor solare perovskite a crescut vertiginos, recordul de laborator fiind de 25,2%. Cercetătorii combină, de asemenea, celule solare perovskite cu celule solare convenționale din siliciu – eficiența record pentru aceste celule tandem „perovskite pe siliciu” este în prezent de 29,1% (depășind recordul de 27% pentru celulele convenționale cu siliciu) și cresc rapid. Odată cu această creștere rapidă a eficienței celulelor, celulele solare perovskite și celulele solare tandem perovskite pot deveni în curând alternative ieftine și foarte eficiente la celulele solare convenționale cu siliciu.
O secțiune transversală a unei celule solare perovskite. (Institutul pentru Energie Curată)
Care sunt unele obiective actuale de cercetare?
În timp ce celulele solare perovskite, inclusiv perovskitul pe tandemuri de siliciu, sunt comercializate de zeci de companii din întreaga lume, există încă provocări de bază în știință și inginerie de rezolvat, care le pot îmbunătăți performanța, fiabilitatea și fabricabilitatea.
Unii cercetători perovskiți continuă să împingă eficiența conversiei prin caracterizarea defectelor în perovskit. În timp ce semiconductorii perovskiți sunt remarcabil de toleranți la defecte, defectele încă afectează negativ performanța - în special cele care apar la suprafața stratului activ. Alți cercetători explorează noi formulări chimice perovskite, atât pentru a-și regla proprietățile electronice pentru aplicații specifice (cum ar fi stivele de celule tandem), cât și pentru a le îmbunătăți în continuare stabilitatea și durata de viață.
Cercetătorii lucrează, de asemenea, la noi modele de celule, noi strategii de încapsulare pentru a proteja perovskiții de mediu și pentru a înțelege căile de degradare de bază, astfel încât să poată utiliza studiile de îmbătrânire accelerată pentru a prezice modul în care celulele solare perovskite vor rezista pe acoperișuri. Alții explorează rapid o varietate de procese de fabricație, inclusiv modul de adaptare a „cernelurilor” perovskite la metodele de tipărire consacrate la scară largă. În cele din urmă, în timp ce perovskiții cu cele mai bune performanțe sunt fabricați astăzi cu o cantitate mică de plumb, cercetătorii explorează, de asemenea, compoziții alternative și noi strategii de încapsulare, pentru a atenua preocupările asociate cu toxicitatea plumbului.
Cum avansează CEI perovskiții?
Cristalele de perovskit prezintă adesea defecte la scară atomică care pot reduce eficiența conversiei solare. Omul de știință șef al CEI și profesorul de chimie David Ginger a dezvoltat tehnici de „pasivare”, tratând perovskiții cu diferiți compuși chimici pentru a vindeca aceste defecte. Dar când cristalele de perovskit sunt asamblate în celule solare, electrozii de colectare a curentului pot crea defecte suplimentare. În 2019, Ginger și colaboratorii de la Georgia Tech au primit finanțare de la Oficiul pentru tehnologiile energetice solare (SETO) al Departamentului de Energie al SUA pentru a dezvolta noi strategii de pasivare și noi materiale de colectare a încărcăturii, permițând celulelor solare perovskite să-și atingă potențialul maxim de eficiență, rămânând totuși compatibile. cu producție la preț redus.
Profesorul de chimie Daniel Gamelin și grupul său urmăresc să modifice celulele solare de siliciu cu acoperiri de perovskit pentru a colecta fotonii de înaltă energie ai luminii albastre mai eficient, ocolind limita teoretică de conversie de 33% pentru celulele convenționale de siliciu. Gamelin și echipa sa au dezvoltat puncte cuantice de perovskit – particule minuscule de mii de ori mai mici decât un păr uman – care pot absorbi fotoni de înaltă energie și pot emite de două ori mai mulți fotoni de joasă energie, un proces numit „tăiere cuantică”. Fiecare foton absorbit de o celulă solară generează un electron, astfel încât acoperirea cu puncte cuantice de perovskit ar putea crește dramatic eficiența conversiei.
Gamelin și echipa sa au format o companie spin-off numită BlueDot Photonics pentru a comercializa tehnologia. Cu finanțare de la SETO, Gamelin și BlueDot dezvoltă tehnici de depunere pentru a crea pelicule subțiri de materiale perovskite pentru celule solare cu suprafețe mari și pentru îmbunătățirea celulelor solare convenționale cu siliciu.
Profesorul de inginerie chimică Hugh Hillhouse folosește algoritmi de învățare automată pentru a ajuta cercetarea perovskiților. Folosind fotoluminiscența capturată de videoclipuri de mare viteză, Hillhouse și grupul său testează o varietate de perovskiți hibrizi pentru stabilitate pe termen lung. Aceste experimente generează seturi de date enorme, dar prin utilizarea învățării automate, ele urmăresc să genereze un model predictiv de degradare pentru celulele solare perovskite. Acest model îi poate ajuta să optimizeze structura chimică și structura unei celule solare perovskite pentru stabilitate pe termen lung - o barieră cheie în calea comercializării.
La Washington Clean Energy Testbeds, o unitate de laborator cu acces deschis, operată de CEI, cercetătorii și antreprenorii pot utiliza echipamente de ultimă generație pentru a dezvolta, testa și scala tehnologii precum celulele solare perovskite. Folosind imprimanta roll-to-roll de la bancurile de testare, cernelurile perovskite pot fi imprimate la temperaturi scăzute pe substraturi flexibile. Director tehnic banci de testareJ. Devin MacKenzie, profesor de știința materialelor&lificator; inginerie și inginerie mecanică la UW, este un expert în materiale și tehnici pentru producție cu randament ridicat și cu amprentă redusă de carbon. Unul dintre cele mai active proiecte ale grupului său, finanțat și de SETO, este dezvoltarea de instrumente in situ care pot măsura creșterea cristalelor de perovskit pe măsură ce acestea sunt depuse rapid în timpul tipăririi roll-to-roll. Cu sprijinul Centrului Comun pentru Dezvoltare și Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), grupul lui MacKenzie folosește, de asemenea, imprimanta cu cea mai înaltă rezoluție din lume pentru a dezvolta noi electrozi care să tragă curentul electric din celulele solare perovskite fără a bloca lumina soarelui să pătrundă în celulă.
Directorul tehnic al bancilor de testare pentru energie curată de la Washington, J. Devin MacKenzie, demonstrează imprimanta roll-to-roll cu mai multe etape a testbeds pentru electronice flexibile. (Institutul pentru Energie Curată)
