Forrás: cei.washington.edu/
Mi az a perovszkit
A perovszkit olyan anyag, amelynek kristályszerkezete megegyezik az ásványi kalcium-titán-oxiddal, az elsőként felfedezett perovszkit kristályával. Általában a perovszkit vegyületek kémiai képlete ABX3, ahol „A” és „B” kationokat jelent, X pedig egy anion, amely mindkettőhöz kötődik. Számos különböző elem kombinálható perovszkit szerkezetek kialakítására. Ezzel a kompozíciós rugalmassággal a tudósok olyan perovszkit kristályokat tervezhetnek, amelyek sokféle fizikai, optikai és elektromos jellemzőkkel rendelkeznek. A perovskit kristályokat ma ultrahangos gépekben, memóriachipekben és most napelemekben is megtalálják.
A perovszkit kristályszerkezet vázlata. (Wikimedia Commons)
Perovszkitek tiszta energetikai alkalmazásai
Minden fotovoltaikus napelem félvezetőkre támaszkodik – olyan anyagokra, amelyek az elektromos szigetelők, például az üveg és a fémes vezetők, például a réz között vannak, hogy a fényből származó energiát elektromossággá alakítsák. A napfény a félvezető anyagában elektronokat gerjeszt, amelyek a vezető elektródákba áramlanak és elektromos áramot termelnek.
A szilícium az 1950-es évek óta a napelemekben használt elsődleges félvezető anyag, mivel félvezető tulajdonságai jól illeszkednek a napsugarak spektrumához, és viszonylag bőséges és stabil. A hagyományos napelemekben használt nagyméretű szilíciumkristályok azonban költséges, többlépcsős gyártási folyamatot igényelnek, amely sok energiát használ fel. Alternatíva keresése során a tudósok a perovszkitek hangolhatóságát használták fel a szilíciumhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkező félvezetők létrehozására. A perovskit napelemek egyszerű, additív leválasztási technikákkal, például nyomtatással gyárthatók, a költségek és az energia töredékéért. A perovszkitek összetételi rugalmassága miatt úgy is hangolhatók, hogy ideálisan illeszkedjenek a nap spektrumához.
2012-ben a kutatók először fedezték fel, hogyan lehet stabil, vékonyrétegű perovszkit napelemet készíteni 10%-ot meghaladó fényfoton-elektron konverziós hatásfokkal, fényelnyelő rétegként ólom-halogenid-perovszkit felhasználásával. Azóta a perovszkit napelemek napfény-elektromos energia átalakítási hatékonysága az egekbe szökött, a laboratóriumi rekord 25,2%. A kutatók a perovszkit napelemeket hagyományos szilícium napelemekkel is kombinálják – ezeknek a „perovszkit a szilíciumra” tandemelemeknek a rekordhatékonysága jelenleg 29,1% (meghaladva a hagyományos szilícium cellák 27%-os rekordját), és gyorsan növekszik. A cellák hatékonyságának ilyen gyors megugrásával a perovszkit napelemek és a perovszkit tandem napelemek hamarosan olcsó, rendkívül hatékony alternatívái lehetnek a hagyományos szilícium napelemeknek.
Perovszkit napelem keresztmetszete. (Tiszta Energia Intézet)
Mik a jelenlegi kutatási célok?
Míg a perovszkit napelemeket, beleértve a szilícium tandemeken lévő perovszkitot is, több tucat vállalat forgalmazza világszerte, továbbra is alapvető tudományos és mérnöki kihívásokkal kell szembenézni, amelyek javíthatják teljesítményüket, megbízhatóságukat és gyárthatóságukat.
Egyes perovszkit-kutatók a perovszkit hibáinak jellemzésével továbbra is növelik az átalakítási hatékonyságot. Míg a perovszkit félvezetők rendkívül hibatűrők, a hibák továbbra is negatívan befolyásolják a teljesítményt, különösen azok, amelyek az aktív réteg felületén fordulnak elő. Más kutatók új perovszkit kémiai összetételeket kutatnak, mind az elektronikus tulajdonságaik specifikus alkalmazásokhoz (például a tandem cellákhoz), mind pedig stabilitásuk és élettartamuk további javítása érdekében.
A kutatók új cellaterveken, új kapszulázási stratégiákon is dolgoznak, hogy megvédjék a perovszkitokat a környezettől, és megértsék az alapvető lebomlási útvonalakat, hogy felgyorsított öregedési vizsgálatokkal megjósolhassák, hogy a perovszkit napelemek hogyan fognak kitartani a háztetőkön. Mások rohamosan vizsgálják a gyártási folyamatok széles skáláját, beleértve a perovszkit „tinták” adaptálását a bevált nagyméretű megoldási nyomtatási módszerekhez. Végül, míg a legjobban teljesítő perovszkitokat manapság kis mennyiségű ólom felhasználásával készítik, a kutatók alternatív összetételeket és új kapszulázási stratégiákat is vizsgálnak az ólomtoxicitással kapcsolatos aggályok enyhítése érdekében.
Hogyan fejleszti a CEI a perovszkitokat?
A perovskit kristályok gyakran atomi léptékű hibákat mutatnak, amelyek csökkenthetik a napenergia konverziós hatékonyságát. David Gingerhas, a CEI vezető tudósa és kémiaprofesszora „passzivációs” technikákat fejlesztett ki, amelyek során a perovszkitokat különböző kémiai vegyületekkel kezelték, hogy meggyógyítsák ezeket a hibákat. De amikor a perovszkit kristályokat napelemekké állítják össze, az áramgyűjtő elektródák további hibákat okozhatnak. 2019-ben Ginger és a Georgia Tech munkatársai finanszírozást kaptak az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Solar Energy Technologies Office-tól (SETO), hogy új passzivációs stratégiákat és új töltésgyűjtő anyagokat dolgozzanak ki, lehetővé téve a perovszkit napelemek teljes hatékonysági potenciálját, miközben továbbra is kompatibilisek maradnak. alacsony költségű gyártással.
Daniel Gamelin kémiaprofesszor és csoportja a szilícium napelemek perovszkit bevonattal történő módosítását tűzte ki célul, hogy hatékonyabban gyűjtsék össze a kék fény nagyenergiájú fotonjait, megkerülve a hagyományos szilíciumelemek 33%-os konverziójának elméleti határát. Gamelin és csapata kifejlesztett perovszkit kvantumpontokat – az emberi hajszálnál ezerszer kisebb apró részecskéket –, amelyek képesek elnyelni a nagy energiájú fotonokat, és kétszer annyi alacsony energiájú fotont bocsátanak ki, ezt a folyamatot „kvantumvágásnak” nevezik. Minden napelem által elnyelt foton egy elektront generál, így a perovszkit kvantumpont bevonat drámaian növelheti a konverziós hatékonyságot.
Gamelin és csapata BlueDot Photonic néven spinoff céget alapított a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalára. A SETO finanszírozásával a Gamelin és a BlueDot leválasztási technikákat fejleszt, hogy perovszkit anyagokból vékony filmeket hozzon létre nagy felületű napelemekhez és a hagyományos szilícium napelemek javításához.
Hugh Hillhouse vegyészmérnök professzor gépi tanulási algoritmusokat használ a perovszkitek kutatásának elősegítésére. Hillhouse és csoportja a nagy sebességű videofelvételek által rögzített fotolumineszcenciát felhasználva különféle hibrid perovszkitokat tesztel a hosszú távú stabilitás érdekében. Ezek a kísérletek hatalmas adathalmazokat generálnak, de a gépi tanulás segítségével a perovszkit napelemek lebomlásának prediktív modelljét kívánják létrehozni. Ez a modell segíthet nekik optimalizálni a perovszkit napelem kémiai felépítését és szerkezetét a hosszú távú stabilitás érdekében – ez a kereskedelmi forgalomba hozatal egyik fő akadálya.
A Washington Clean Energy Testbedsben, a CEI által üzemeltetett nyílt hozzáférésű laboratóriumi létesítményben a kutatók és a vállalkozók a legmodernebb berendezéseket használhatják olyan technológiák fejlesztésére, tesztelésére és méretezésére, mint a perovszkit napelemek. A tesztágyak tekercsről tekercsre történő nyomtatójával a perovskit tinták alacsony hőmérsékleten nyomtathatók rugalmas hordozókra. Testbeds műszaki igazgatója, J. Devin MacKenzie, az anyagtudomány professzora&erősítő; mérnök és gépészmérnök az UW-nél, a nagy áteresztőképességű és alacsony szén-dioxid-kibocsátású gyártáshoz szükséges anyagok és technikák szakértője. Csoportja egyik legaktívabb projektje, amelyet szintén a SETO finanszíroz, olyan in situ műszerek fejlesztése, amelyek mérni tudják a perovszkit kristályok növekedését, amint azok gyorsan lerakódnak a tekercsről tekercsre történő nyomtatás során. A Közös Fejlesztési Központ támogatásával és A Földben bőséges anyagok kutatása (JCDREAM), a MacKenzie csoportja a világ legnagyobb felbontású nyomtatóját is használja új elektródák kifejlesztésére, amelyek elektromos áramot vonnak ki a perovszkit napelemekből anélkül, hogy megakadályoznák a napfény bejutását a cellába.
A Washington Clean Energy Testbeds műszaki igazgatója, J. Devin MacKenzie bemutatja a Testbeds többlépcsős roll-to-roll nyomtatóját a rugalmas elektronikához. (Tiszta Energia Intézet)
