Källa: cei.washington.edu/
Vad är en perovskite
En perovskit är ett material som har samma kristallstruktur som mineralet kalciumtitanoxid, den först upptäckta perovskitkristallen. I allmänhet har perovskitföreningar en kemisk formel ABX3där 'A' och 'B' representerar katjoner och X är en anjon som binder till båda. Ett stort antal olika element kan kombineras för att bilda perovskitstrukturer. Med hjälp av denna sammansättningsflexibilitet kan forskare designa perovskitkristaller för att ha en mängd olika fysiska, optiska och elektriska egenskaper. Perovskitkristaller finns idag i ultraljudsmaskiner, minneschips och nu – solceller.
Ett schema över en perovskitkristallstruktur. (Wikimedia Commons)
Ren energitillämpningar av perovskiter
Alla solceller förlitar sig på halvledare - material i mitten mellan elektriska isolatorer som glas och metalliska ledare som koppar - för att omvandla energin från ljus till elektricitet. Ljus från solen exciterar elektroner i halvledarmaterialet, som flyter in i ledande elektroder och producerar elektrisk ström.
Kisel har varit det primära halvledarmaterialet som använts i solceller sedan 1950-talet, eftersom dess halvledande egenskaper överensstämmer väl med spektrumet av solens strålar och det är relativt rikligt och stabilt. De stora kiselkristallerna som används i konventionella solpaneler kräver dock en dyr tillverkningsprocess i flera steg som använder mycket energi. I sökandet efter ett alternativ har forskare utnyttjat perovskites avstämbarhet för att skapa halvledare med liknande egenskaper som kisel. Perovskite solceller kan tillverkas med enkla, additiva deponeringstekniker, som tryckning, för en bråkdel av kostnaden och energin. På grund av perovskiternas flexibilitet i sammansättningen kan de också ställas in för att perfekt matcha solens spektrum.
År 2012 upptäckte forskare först hur man tillverkar en stabil, tunnfilm perovskitsolcell med ljusfoton-till-elektronomvandlingseffektivitet över 10 %, med blyhalogenidperovskiter som det ljusabsorberande skiktet. Sedan dess har omvandlingseffektiviteten för solljus-till-elektrisk effekt för perovskitsolceller skjutit i höjden, med laboratorierekordet på 25,2 %. Forskare kombinerar också perovskitsolceller med konventionella kiselsolceller – rekordeffektiviteten för dessa tandemceller av "perovskite på kisel" är för närvarande 29,1 % (över rekordet på 27 % för konventionella kiselceller) och stiger snabbt. Med denna snabba ökning av celleffektivitet kan perovskitsolceller och perovskite tandemsolceller snart bli billiga, högeffektiva alternativ till konventionella kiselsolceller.
Ett tvärsnitt av en perovskitsolcell. (Clean Energy Institute)
Vilka är några aktuella forskningsmål?
Medan perovskitsolceller, inklusive perovskit på kiseltandemer, kommersialiseras av dussintals företag över hela världen, finns det fortfarande grundläggande vetenskapliga och tekniska utmaningar att ta itu med som kan förbättra deras prestanda, tillförlitlighet och tillverkningsbarhet.
Vissa perovskitforskare fortsätter att driva på omvandlingseffektivitet genom att karakterisera defekter i perovskiten. Medan perovskithalvledare är anmärkningsvärt defekttoleranta, påverkar defekter fortfarande prestanda negativt - särskilt de som uppstår på ytan av det aktiva lagret. Andra forskare undersöker nya kemiska formuleringar av perovskit, både för att ställa in deras elektroniska egenskaper för specifika applikationer (som tandemcellstackar), eller ytterligare förbättra deras stabilitet och livslängd.
Forskare arbetar också med nya celldesigner, nya inkapslingsstrategier för att skydda perovskiter från miljön och för att förstå grundläggande nedbrytningsvägar så att de kan använda accelererade åldrandestudier för att förutsäga hur perovskitsolceller kommer att hålla på hustak. Andra undersöker snabbt en mängd olika tillverkningsprocesser, inklusive hur man anpassar perovskite "bläck" till etablerade storskaliga utskriftsmetoder. Slutligen, medan de bäst presterande perovskiterna idag tillverkas med en liten mängd bly, undersöker forskare också alternativa sammansättningar och nya inkapslingsstrategier, för att mildra farhågor förknippade med blytoxicitet.
Hur utvecklar CEI perovskites?
Perovskitkristaller uppvisar ofta atomskaliga defekter som kan minska effektiviteten i solomvandlingen. CEI:s chefsforskare och kemiprofessor David Ginger har utvecklat "passiveringstekniker" som behandlar perovskiter med olika kemiska föreningar för att läka dessa defekter. Men när perovskitkristaller sätts ihop till solceller kan de strömsamlande elektroderna skapa ytterligare defekter. Under 2019 fick Ginger och medarbetare på Georgia Tech medel från US Department of Energy's Solar Energy Technologies Office (SETO) för att utveckla nya passiveringsstrategier och nya laddningsuppsamlande material, vilket gör att perovskitesolceller kan nå sin fulla effektivitetspotential samtidigt som de fortfarande är kompatibla med lågkostnadstillverkning.
Kemiprofessor Daniel Gamelin och hans grupp strävar efter att modifiera kiselsolceller med perovskitbeläggningar för att samla in högenergifotoner av blått ljus mer effektivt och kringgå den teoretiska gränsen på 33 % omvandling för konventionella kiselceller. Gamelin och hans team har utvecklat perovskitkvantprickar - små partiklar tusentals gånger mindre än ett människohår - som kan absorbera högenergifotoner och avge dubbelt så många lågenergifotoner, en process som kallas "kvantskärning". Varje foton som absorberas av en solcell genererar en elektron, så perovskit-kvantpunktsbeläggningen kan dramatiskt öka omvandlingseffektiviteten.
Gamelin och hans team har bildat ett spinoff-företag som heter BlueDot Photonic för att kommersialisera tekniken. Med finansiering från SETO utvecklar Gamelin och BlueDot deponeringstekniker för att skapa tunna filmer av perovskitmaterial för stora solceller och för att förbättra konventionella kiselsolceller.
Professor i kemiteknik Hugh Hillhouse använder algoritmer för maskininlärning för att underlätta forskning av perovskiter. Med hjälp av fotoluminescens fångad av höghastighetsvideo testar Hillhouse och hans grupp en mängd olika hybridperovskiter för långsiktig stabilitet. Dessa experiment genererar enorma datamängder, men genom att använda maskininlärning syftar de till att generera en prediktiv modell för nedbrytning för perovskitsolceller. Den här modellen kan hjälpa dem att optimera den kemiska sammansättningen och strukturen hos en perovskitsolcell för långsiktig stabilitet - en viktig barriär för kommersialisering.
På Washington Clean Energy Testbeds, en labbanläggning med öppen tillgång som drivs av CEI, kan forskare och entreprenörer använda toppmodern utrustning för att utveckla, testa och skala teknologier som perovskitsolceller. Med hjälp av rull-till-rulle-skrivaren vid testbäddarna kan perovskitbläck tryckas vid låga temperaturer på flexibla substrat. Testbädds tekniska chefJ. Devin MacKenzie, professor i materialvetenskap& ingenjörs- och maskinteknik på UW, är expert på material och tekniker för tillverkning med hög genomströmning och lågt koldioxidavtryck. Ett av hans grupps mest aktiva projekt, även finansierat av SETO, är att utveckla in situ-instrument som kan mäta tillväxten av perovskitkristaller när de snabbt avsätts under utskrift från rulle till rulle. Med stöd från Joint Centre for the Development och Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzies grupp använder också världens högsta upplösningsskrivare för att utveckla nya elektroder för att dra ut elektrisk ström ur perovskitsolceller utan att blockera solljus från att komma in i cellen.
Washington Clean Energy Testbeds tekniska direktör J. Devin MacKenzie demonstrerar testbäddarnas flerstegs rull-till-rulle-skrivare för flexibel elektronik. (Clean Energy Institute)
