Forrás:news.mit.edu
A perovskitek ígéretesek olyan napelemek létrehozásában, amelyek könnyen lerakhatók a legtöbb felületre, beleértve a rugalmas és texturált felületeket is. Ezek az anyagok emellett könnyűek, olcsón előállíthatók, és ugyanolyan hatékonyak, mint a mai vezető fotovoltaikus anyagok, amelyek főleg szilíciumból állnak. Növekvő kutatások és befektetések tárgyát képezik, de a potenciáljukat kihasználni kívánó vállalatoknak meg kell küzdeniük néhány fennmaradó akadályt, mielőtt a perovszkit alapú napelemek kereskedelmileg versenyképesek lehetnek.
A perovszkit kifejezés nem egy adott anyagra utal, mint például a szilícium vagy a kadmium-tellurid, amelyek a fotovoltaikus birodalom más vezető versenyzői, hanem a vegyületek egész családjára. A napelemes anyagok perovszkit családját az 1839-ben felfedezett perovszkit ásványhoz való szerkezeti hasonlóságáról nevezték el, és LA Perovski orosz mineralógusról nevezték el.
Az eredeti ásványi perovszkit, amely kalcium-titán-oxid (CaTiO3), jellegzetes kristálykonfigurációval rendelkezik. Három részből álló szerkezettel rendelkezik, melynek összetevőit A, B és X jelöléssel látták el, amelyben a különböző komponensek rácsai vannak átlapolva. A perovszkitek családja az elemek vagy molekulák számos lehetséges kombinációjából áll, amelyek mindhárom komponenst elfoglalhatják, és az eredeti perovszkit szerkezetéhez hasonló szerkezetet alkothatnak. (Egyes kutatók még meg is hajlítják a szabályokat azáltal, hogy más hasonló elemeket tartalmazó kristályszerkezeteket „perovszkitoknak” neveznek el, bár ezt a krisztallográfusok rosszallják.)
"Bizonyos korlátokkal keverhetsz atomokat és molekulákat a szerkezetbe. Például, ha túl nagy molekulát próbálsz beletömni a szerkezetbe, akkor eltorzítod. Végül a 3D kristály szétválását okozhatja. 2D réteges szerkezetet, vagy teljesen elveszíti a rendezett szerkezetet" - mondja Tonio Buonassisi, az MIT gépészmérnök professzora és a Fotovoltaikus Kutatólaboratórium igazgatója. "A perovszkitok nagyon jól hangolhatók, mint az építsd meg saját kalandod típusú kristályszerkezetek" - mondja.
Az átlapolt rácsok szerkezete ionokból vagy töltött molekulákból áll, amelyek közül kettő (A és B) pozitív, a másik (X) negatív töltésű. Az A és B ionok általában meglehetősen eltérő méretűek, az A nagyobb.
A perovszkitok általános kategóriáján belül számos típus létezik, beleértve a fém-oxid-perovszkitokat is, amelyek alkalmazásra találtak a katalízisben, valamint az energiatárolásban és -átalakításban, például üzemanyagcellákban és fém-levegő akkumulátorokban. De Buonassisi szerint több mint egy évtizede a kutatási tevékenység fő fókusza az ólom-halogenid-perovszkitokra irányult.
Ezen a kategórián belül még mindig rengeteg lehetőség rejlik, és a laboratóriumok világszerte versenyeznek azon az unalmas munkán, hogy megtalálják azokat a variációkat, amelyek a legjobb teljesítményt mutatják a hatékonyság, a költség és a tartósság terén – ami eddig a legnagyobb kihívást jelentette. a három közül.
Sok csapat olyan változatokra is összpontosított, amelyek kiküszöbölik az ólom használatát, hogy elkerüljék annak környezeti hatását. Buonassisi azonban megjegyzi, hogy "az ólomalapú készülékek teljesítménye folyamatosan javul az idő múlásával, és a többi kompozíció sem került közel az elektronikus teljesítményhez." Folytatódik a munka az alternatívák feltárásán, de egyelőre egyik sem tud versenyezni az ólomhalogenid változatokkal.
A perovskitek egyik nagy előnye a szerkezeti hibákkal szembeni nagy tolerancia, mondja. Ellentétben a szilíciummal, amely rendkívül nagy tisztaságot igényel ahhoz, hogy jól működjön az elektronikus eszközökben, a perovszkitek még számos tökéletlenséggel és szennyeződéssel is jól működnek.
Ígéretes új perovszkit-összetételek keresése olyan, mintha tűt keresnénk a szénakazalban, de a közelmúltban a kutatók olyan gépi tanulási rendszert hoztak létre, amely nagymértékben leegyszerűsítheti ezt a folyamatot. Ez az új megközelítés sokkal gyorsabb új alternatívák kifejlesztéséhez vezethet, mondja Buonassisi, aki a kutatás társszerzője volt.
Míg a perovszkitek továbbra is nagy ígéretet mutatnak, és számos vállalat már készül a kereskedelmi gyártás megkezdésére, a tartósság továbbra is a legnagyobb akadály, amellyel szembesülnek. Míg a szilícium napelemek 25 év után is megtartják teljesítményük 90 százalékát, a perovszkit sokkal gyorsabban bomlik le. Nagy előrelépés történt – a kezdeti minták csak néhány órát, majd hetekig vagy hónapokig tartottak, de az újabb készítmények élettartama akár néhány év is lehet, így alkalmasak bizonyos alkalmazásokra, ahol a hosszú élettartam nem elengedhetetlen.
Kutatási szempontból Buonassisi szerint a perovszkitok egyik előnye, hogy viszonylag könnyen előállíthatók a laboratóriumban – a kémiai összetevők könnyen összeállnak. De ez a hátrányuk is: "Az anyag szobahőmérsékleten nagyon könnyen összeáll" - mondja -, de szobahőmérsékleten is nagyon könnyen szétválik. Könnyen gyere, könnyen megy!
A probléma megoldása érdekében a legtöbb kutató arra összpontosít, hogy különféle védőanyagokat használjon a perovszkit kapszulázására, védve azt a levegővel és nedvességgel szemben. Mások azonban azokat a pontos mechanizmusokat tanulmányozzák, amelyek ehhez a degradációhoz vezetnek, abban a reményben, hogy olyan készítményeket vagy kezeléseket találnak, amelyek eleve robusztusabbak. A legfontosabb megállapítás az, hogy az autokatalízisnek nevezett folyamat nagyrészt felelős a meghibásodásért.
Az autokatalízis során, amint az anyag egy része bomlásnak indul, reakciótermékei katalizátorként kezdik lebontani a szerkezet szomszédos részeit, és elszabaduló reakció indul be. Hasonló probléma volt néhány más elektronikai anyag, például szerves fénykibocsátó diódák (OLED) korai kutatásaiban is, és végül további tisztítási lépések hozzáadásával oldották meg a nyersanyagokat, így hasonló megoldást találhatunk a perovszkitek, javasolja Buonassisi.
Buonassisi és kutatótársai a közelmúltban fejeztek be egy tanulmányt, amely kimutatta, hogy ha a perovszkitek elérik a legalább egy évtizedes használhatósági élettartamot, sokkal alacsonyabb kezdeti költségüknek köszönhetően, ami elegendő lenne ahhoz, hogy gazdaságilag életképessé tegyék őket a szilícium helyettesítőjeként a nagy, hasznosítható anyagokban. léptékű napelemfarmok.
Összességében a perovszkitek fejlesztése terén elért haladás lenyűgöző és biztató, mondja. Néhány évnyi munkával már olyan hatékonyságot ért el, amely a kadmium-tellurid (CdTe) szintjéhez hasonlítható, "amely már jóval régebb óta létezik, és még mindig nehezen éri el" - mondja. "Az a könnyedség, amellyel ezek a magasabb teljesítmények elérhetők ebben az új anyagban, szinte megdöbbentő." Összehasonlítva a hatékonyság 1 százalékos javulására fordított kutatási időt, azt mondja, hogy a perovszkit esetében a haladás 100 és 1,{3}}-szer gyorsabb volt, mint a CdTe esetében. "Ez az egyik oka annak, hogy olyan izgalmas" - mondja.
