Джерело: cei.washington.edu/
Що таке перовскіт
Перовскіт — це матеріал, який має таку ж кристалічну структуру, що й мінерал оксид кальцію титану, перший відкритий кристал перовскіту. Як правило, перовскітні сполуки мають хімічну формулу ABX3, де "A" і "B" представляють катіони, а X - аніон, який зв'язується з обома. Велика кількість різних елементів можна об’єднати разом, щоб утворити перовскітні структури. Використовуючи цю композиційну гнучкість, вчені можуть сконструювати кристали перовскіту з широким спектром фізичних, оптичних та електричних характеристик. Кристали перовскіту сьогодні зустрічаються в ультразвукових апаратах, чіпах пам’яті, а тепер – сонячних елементах.
Схема кристалічної структури перовскіту. (Wikimedia Commons)
Застосування чистої енергії перовскітів
Усі фотоелектричні сонячні батареї покладаються на напівпровідники — матеріали, що знаходяться посередині між електричними ізоляторами, такими як скло, та металевими провідниками, такими як мідь, — щоб перетворити енергію зі світла в електрику. Світло від сонця збуджує електрони в напівпровідниковому матеріалі, які впадають у провідні електроди і виробляють електричний струм.
Кремній був основним напівпровідниковим матеріалом, який використовується в сонячних елементах з 1950-х років, оскільки його напівпровідникові властивості добре узгоджуються зі спектром сонячних променів і він відносно багатий і стабільний. Однак великі кристали кремнію, які використовуються в звичайних сонячних панелях, вимагають дорогого багатоетапного процесу виробництва, який використовує багато енергії. У пошуках альтернативи вчені використали здатність перовскітів для створення напівпровідників з властивостями, подібними до кремнію. Перовскітні сонячні батареї можна виготовити за допомогою простих методів адитивного осадження, таких як друк, за незначну частину вартості та енергії. Завдяки гнучкості складу перовскітів їх також можна налаштувати, щоб ідеально відповідати сонячному спектру.
У 2012 році дослідники вперше виявили, як створити стабільну тонкоплівкову перовскітну сонячну батарею з ефективністю перетворення світлового фотона в електрон понад 10%, використовуючи перовскіти галогеніду свинцю як світлопоглинальний шар. З тих пір ефективність перетворення сонячного світла в електричну енергію перовскітних сонячних елементів різко зросла, при цьому лабораторний рекорд склав 25,2%. Дослідники також поєднують перовскітні сонячні батареї зі звичайними кремнієвими сонячними батареями – рекордна ефективність цих тандемних елементів «перовскіт на кремнії» на даний момент становить 29,1% (перевершуючи рекорд у 27% для звичайних кремнієвих елементів) і швидко зростає. Завдяки такому швидкому зростанню ефективності елементів, перовскітні сонячні батареї та перовскітні тандемні сонячні батареї незабаром можуть стати дешевими, високоефективними альтернативами звичайним кремнієвим сонячним елементам.
Поперечний переріз перовскітної сонячної батареї. (Інститут чистої енергії)
Які поточні цілі дослідження?
У той час як перовскітні сонячні батареї, включаючи перовскіт на кремнієвих тандемах, комерціалізуються десятками компаній по всьому світу, все ще залишаються базові наукові та інженерні проблеми, які можуть підвищити їх продуктивність, надійність і технологічність.
Деякі дослідники перовскіту продовжують підвищувати ефективність перетворення, характеризуючи дефекти в перовскіті. У той час як перовскітні напівпровідники надзвичайно толерантні до дефектів, дефекти все одно негативно впливають на продуктивність, особливо ті, що виникають на поверхні активного шару. Інші дослідники досліджують нові хімічні склади перовскіту, щоб як налаштувати їх електронні властивості для конкретних застосувань (наприклад, тандемні стеки клітин), так і для подальшого покращення їх стабільності та терміну служби.
Дослідники також працюють над новими конструкціями елементів, новими стратегіями інкапсуляції, щоб захистити перовскіти від навколишнього середовища, а також зрозуміти основні шляхи деградації, щоб вони могли використовувати дослідження прискореного старіння, щоб передбачити, як перовскітні сонячні батареї триватимуть на дахах. Інші швидко вивчають різноманітні виробничі процеси, включаючи те, як адаптувати перовскітні «чорнила» до встановлених методів широкомасштабного друку. Нарешті, хоча сьогодні найефективніші перовскіти виготовляються з невеликою кількістю свинцю, дослідники також досліджують альтернативні композиції та нові стратегії інкапсуляції, щоб пом’якшити побоювання, пов’язані з токсичністю свинцю.
Як CEI просуває перовскіти?
Кристали перовскіту часто мають дефекти атомного масштабу, які можуть знизити ефективність сонячного перетворення. Головний науковий співробітник CEI і професор хімії Девід Джінджер розробив методику «пасивації», обробляючи перовскіти різними хімічними сполуками для загоєння цих дефектів. Але коли кристали перовскіту збираються в сонячні батареї, електроди, що збирають струм, можуть створити додаткові дефекти. У 2019 році Джинджер і співробітники Georgia Tech отримали фінансування від Управління технологій сонячної енергії Міністерства енергетики США (SETO) на розробку нових стратегій пасивації та нових матеріалів для збору заряду, що дозволить перовскітним сонячним батареям досягти свого повного потенціалу ефективності, залишаючись сумісними. з низькою вартістю виготовлення.
Професор хімії Деніел Гамеліна та його група мають на меті модифікувати кремнієві сонячні батареї з перовскітовими покриттями, щоб ефективніше збирати високоенергетичні фотони синього світла, минаючи теоретичну межу перетворення 33% для звичайних кремнієвих елементів. Гамелен і його команда розробили перовскітові квантові точки — крихітні частинки, у тисячі разів менші за людську волосину, — які можуть поглинати фотони високої енергії та випромінювати вдвічі більше фотонів низької енергії, цей процес називається «квантовим різанням». Кожен фотон, поглинаний сонячним елементом, генерує один електрон, тому покриття з квантовими точками з перовскіту може різко підвищити ефективність перетворення.
Гамелін і його команда створили допоміжну компанію під назвою BlueDot Photonic для комерціалізації цієї технології. За фінансування від SETO, Gamelin і BlueDot розробляють методи осадження для створення тонких плівок перовскітних матеріалів для сонячних елементів великої площі та для покращення звичайних кремнієвих сонячних елементів.
Професор хімічної інженерії Х'ю Хіллхаус використовує алгоритми машинного навчання для дослідження перовскітів. Використовуючи фотолюмінесценцію, зняту високошвидкісним відео, Хіллхаус і його група тестують різноманітні гібридні перовскіти на довгострокову стабільність. Ці експерименти генерують величезні набори даних, але за допомогою машинного навчання вони мають на меті створити прогнозну модель деградації перовскітних сонячних елементів. Ця модель може допомогти їм оптимізувати хімічний склад і структуру перовскітної сонячної батареї для довгострокової стабільності — ключового бар’єру для комерціалізації.
У Washington Clean Energy Testbeds, лабораторії з відкритим доступом, що керується CEI, дослідники та підприємці можуть використовувати найсучасніше обладнання для розробки, тестування та масштабування технологій, таких як перовскітні сонячні батареї. Використовуючи рулонний принтер на випробувальних стендах, перовскітні фарби можна друкувати при низьких температурах на гнучких підкладках. Технічний директор випробувальних стендів Дж. Девін Маккензі, професор матеріалознавства& інженер і машинобудування в UW, є експертом з матеріалів і технологій для виробництва з високою пропускною здатністю та низьким викидом вуглецю. Один з найактивніших проектів його групи, який також фінансується SETO, полягає в розробці інструментів in situ, які можуть вимірювати ріст кристалів перовскіту, оскільки вони швидко осідають під час рулонного друку. За підтримки Спільного центру розвитку та Група Маккензі також використовує принтер з найвищою роздільною здатністю для розробки нових електродів для виведення електричного струму з перовскітних сонячних елементів, не блокуючи проникнення сонячного світла в клітину.
Технічний директор Washington Clean Energy Testbeds Дж. Девін Маккензі демонструє багатоступінчастий рулонний принтер Testbeds для гнучкої електроніки. (Інститут чистої енергії)
