Sursa:news.mit.edu
Perovskiții sunt promițători pentru crearea de panouri solare care ar putea fi depuse cu ușurință pe majoritatea suprafețelor, inclusiv pe cele flexibile și texturate. Aceste materiale ar fi, de asemenea, ușoare, ieftine de produs și la fel de eficiente ca cele mai importante materiale fotovoltaice de astăzi, care sunt în principal siliciu. Ele fac obiectul unei cercetări și investiții în creștere, dar companiile care doresc să-și valorifice potențialul trebuie să rezolve unele obstacole rămase înainte ca celulele solare pe bază de perovskit să poată fi competitive din punct de vedere comercial.
Termenul de perovskit nu se referă la un material specific, cum ar fi siliciul sau telurura de cadmiu, alți concurenți principali în domeniul fotovoltaic, ci la o întreagă familie de compuși. Familia de materiale solare perovskite este numită pentru asemănarea sa structurală cu un mineral numit perovskit, care a fost descoperit în 1839 și numit după mineralogul rus LA Perovski.
Perovskitul mineral original, care este oxid de calciu titan (CaTiO3), are o configurație cristalină distinctă. Are o structură din trei părți, ale cărei componente au ajuns să fie etichetate A, B și X, în care rețelele diferitelor componente sunt întrețesute. Familia perovskiților este formată din numeroasele combinații posibile de elemente sau molecule care pot ocupa fiecare dintre cele trei componente și pot forma o structură similară cu cea a perovskitului original în sine. (Unii cercetători chiar încalcă puțin regulile, denumind alte structuri cristaline cu elemente similare „perovskiți”, deși acest lucru este descurajat de cristalografi.)
„Puteți amesteca și potrivi atomi și molecule în structură, cu anumite limite. De exemplu, dacă încercați să îndesați o moleculă care este prea mare în structură, o veți distorsiona. În cele din urmă, puteți determina separarea cristalului 3D în structură. o structură stratificată 2D sau pierdeți în întregime structura ordonată”, spune Tonio Buonassisi, profesor de inginerie mecanică la MIT și director al Laboratorului de Cercetare Fotovoltaică. „Perovskiții sunt extrem de reglabili, ca un tip de structură cristalină de tip „construiți-vă propria aventură”, spune el.
Acea structură a rețelelor întrețesute constă din ioni sau molecule încărcate, două dintre ele (A și B) încărcate pozitiv și cealaltă (X) încărcată negativ. Ionii A și B sunt de obicei de dimensiuni destul de diferite, A fiind mai mare.
În categoria generală a perovskiților, există o serie de tipuri, inclusiv perovskiții cu oxid de metal, care și-au găsit aplicații în cataliză și în stocarea și conversia energiei, cum ar fi pilele de combustibil și bateriile metal-aer. Dar un accent principal al activității de cercetare de mai bine de un deceniu a fost pe perovskiții cu halogenură de plumb, conform spune Buonassisi.
În această categorie, există încă o legiune de posibilități, iar laboratoarele din întreaga lume se întrec prin munca obositoare de a încerca să găsească variațiile care arată cea mai bună performanță în ceea ce privește eficiența, costul și durabilitatea - care a fost până acum cea mai provocatoare. dintre cei trei.
Multe echipe s-au concentrat, de asemenea, pe variații care elimină utilizarea plumbului, pentru a evita impactul acestuia asupra mediului. Buonassisi notează, totuși, că „consecvent de-a lungul timpului, dispozitivele pe bază de plumb continuă să își îmbunătățească performanța și niciuna dintre celelalte compoziții nu s-a apropiat în ceea ce privește performanța electronică”. Se lucrează în continuare la explorarea alternativelor, dar deocamdată nimeni nu poate concura cu versiunile cu halogenură de plumb.
Unul dintre marile avantaje pe care le oferă perovskiții este marea lor toleranță la defectele structurii, spune el. Spre deosebire de siliciu, care necesită o puritate extrem de ridicată pentru a funcționa bine în dispozitivele electronice, perovskiții pot funcționa bine chiar și cu numeroase imperfecțiuni și impurități.
Căutarea de noi compoziții candidate promițătoare pentru perovskiți este un pic ca a căuta un ac într-un car de fân, dar recent cercetătorii au venit cu un sistem de învățare automată care poate simplifica foarte mult acest proces. Această nouă abordare ar putea duce la o dezvoltare mult mai rapidă de noi alternative, spune Buonassisi, care a fost co-autor al acelei cercetări.
În timp ce perovskiții continuă să fie foarte promițători și mai multe companii se pregătesc deja să înceapă producția comercială, durabilitatea rămâne cel mai mare obstacol cu care se confruntă. În timp ce panourile solare din siliciu rețin până la 90% din puterea lor după 25 de ani, perovskiții se degradează mult mai repede. S-au făcut progrese mari — probele inițiale au durat doar câteva ore, apoi săptămâni sau luni, dar formulările mai noi au durate de viață utilizabile de până la câțiva ani, potrivite pentru unele aplicații în care longevitatea nu este esențială.
Din perspectiva cercetării, spune Buonassisi, un avantaj al perovskiților este că sunt relativ ușor de făcut în laborator - constituenții chimici se adună ușor. Dar acesta este și dezavantajul lor: „Materialul se îmbină foarte ușor la temperatura camerei”, spune el, „dar se desface foarte ușor și la temperatura camerei.
Pentru a rezolva această problemă, majoritatea cercetătorilor se concentrează pe utilizarea diferitelor tipuri de materiale de protecție pentru a încapsula perovskitul, protejându-l de expunerea la aer și umiditate. Dar alții studiază mecanismele exacte care duc la acea degradare, în speranța de a găsi formulări sau tratamente care sunt în mod inerent mai robuste. O constatare cheie este că un proces numit autocataliză este în mare parte vinovat pentru defecțiune.
În autocataliză, de îndată ce o parte a materialului începe să se degradeze, produșii săi de reacție acționează ca catalizatori pentru a începe degradarea părților învecinate ale structurii și începe o reacție de fugă. O problemă similară a existat în cercetările timpurii asupra altor materiale electronice, cum ar fi diodele organice emițătoare de lumină (OLED), și a fost în cele din urmă rezolvată prin adăugarea de pași de purificare suplimentari la materiile prime, astfel încât o soluție similară poate fi găsită în cazul perovskiți, sugerează Buonassisi.
Buonassisi și co-cercetătorii săi au finalizat recent un studiu care arată că, odată ce perovskiții ating o durată de viață utilizabilă de cel puțin un deceniu, datorită costului lor inițial mult mai mic, care ar fi suficient pentru a le face viabile din punct de vedere economic ca înlocuitor pentru siliciu în marile, utilitare- ferme solare la scară.
În general, progresul în dezvoltarea perovskiților a fost impresionant și încurajator, spune el. Cu doar câțiva ani de muncă, a atins deja eficiențe comparabile cu nivelurile pe care telurura de cadmiu (CdTe), „care există de mult mai mult timp, încă se luptă să le atingă”, spune el. „Ușurința cu care sunt atinse aceste performanțe superioare în acest nou material este aproape uluitoare.” Comparând timpul de cercetare petrecut pentru a obține o îmbunătățire cu 1% a eficienței, spune el, progresul pe perovskiți a fost undeva între 100 și 1, 000 ori mai rapid decât cel pe CdTe. „Acesta este unul dintre motivele pentru care este atât de interesant”, spune el.
