Avots: cei.washington.edu/
Kas ir perovskīts
Perovskīts ir materiāls, kam ir tāda pati kristāla struktūra kā minerālkalcija titāna oksīdam, pirmajam atklātajam perovskīta kristālam. Parasti perovskīta savienojumiem ir ķīmiskā formula ABX3, kur “A” un “B” apzīmē katjonus un X ir anjons, kas saistās ar abiem. Lielu skaitu dažādu elementu var apvienot kopā, veidojot perovskīta struktūras. Izmantojot šo kompozīcijas elastību, zinātnieki var izveidot perovskīta kristālus tā, lai tiem būtu daudz dažādu fizisko, optisko un elektrisko īpašību. Perovskīta kristāli mūsdienās ir atrodami ultraskaņas aparātos, atmiņas mikroshēmās un tagad arī saules baterijās.
Perovskīta kristāla struktūras shēma. (Wikimedia Commons)
Perovskītu tīrās enerģijas pielietojums
Visas fotogalvaniskās saules baterijas balstās uz pusvadītājiem - materiāliem, kas atrodas starp elektriskajiem izolatoriem, piemēram, stiklu, un metāliskiem vadītājiem, piemēram, varu, lai pārvērstu gaismas enerģiju elektrībā. Saules gaisma ierosina elektronus pusvadītāju materiālā, kas ieplūst vadošos elektrodos un rada elektrisko strāvu.
Silīcijs ir bijis primārais pusvadītāju materiāls, ko izmanto saules baterijās kopš 1950. gadiem, jo tā pusvadītāja īpašības labi sakrīt ar saules staru spektru, un tas ir salīdzinoši bagātīgs un stabils. Tomēr lielajiem silīcija kristāliem, ko izmanto tradicionālajos saules paneļos, ir nepieciešams dārgs, daudzpakāpju ražošanas process, kas patērē daudz enerģijas. Meklējot alternatīvu, zinātnieki ir izmantojuši perovskītu noskaņojamību, lai izveidotu pusvadītājus ar silīcijam līdzīgām īpašībām. Perovskīta saules baterijas var ražot, izmantojot vienkāršas, piedevas uzklāšanas metodes, piemēram, drukāšanu, par daļu no izmaksām un enerģijas. Perovskītu kompozīcijas elastības dēļ tos var arī noregulēt, lai tie ideāli atbilstu saules spektram.
2012. gadā pētnieki pirmo reizi atklāja, kā izveidot stabilu, plānslāņa perovskīta saules bateriju ar gaismas fotonu-elektronu konversijas efektivitāti virs 10%, izmantojot svina halogenīdu perovskītus kā gaismu absorbējošu slāni. Kopš tā laika perovskīta saules bateriju pārveidošanas efektivitāte no saules gaismas uz elektroenerģiju ir strauji pieaugusi, un laboratorijas rekords ir 25,2%. Pētnieki arī apvieno perovskīta saules baterijas ar parastajām silīcija saules baterijām – šo tandēma elementu "perovskīts uz silīcija" rekordefektivitāte pašlaik ir 29,1% (pārsniedzot 27% tradicionālo silīcija elementu rekordu) un strauji pieaug. Ar šo straujo šūnu efektivitātes pieaugumu perovskīta saules baterijas un perovskīta tandēma saules baterijas drīzumā var kļūt par lētu, ļoti efektīvu alternatīvu parastajām silīcija saules baterijām.
Perovskīta saules baterijas šķērsgriezums. (Tīras enerģijas institūts)
Kādi ir daži pašreizējie pētniecības mērķi?
Lai gan perovskīta saules baterijas, tostarp perovskītu uz silīcija tandēmiem, tiek komercializētas desmitiem uzņēmumu visā pasaulē, joprojām ir jārisina pamata zinātnes un inženierijas problēmas, kas var uzlabot to veiktspēju, uzticamību un ražojamību.
Daži perovskīta pētnieki turpina palielināt konversijas efektivitāti, raksturojot perovskīta defektus. Lai gan perovskīta pusvadītāji ir ļoti izturīgi pret defektiem, defekti joprojām negatīvi ietekmē veiktspēju, īpaši tie, kas rodas aktīvā slāņa virsmā. Citi pētnieki pēta jaunus perovskīta ķīmiskos preparātus, lai pielāgotu to elektroniskās īpašības konkrētiem lietojumiem (piemēram, tandēma šūnu skursteņiem), vai vēl vairāk uzlabotu to stabilitāti un kalpošanas laiku.
Pētnieki arī strādā pie jauniem šūnu dizainiem, jaunām iekapsulēšanas stratēģijām, lai aizsargātu perovskītus no vides, un izprastu galvenos noārdīšanās ceļus, lai viņi varētu izmantot paātrinātus novecošanas pētījumus, lai prognozētu, kā perovskīta saules baterijas kalpos uz jumtiem. Citi strauji pēta dažādus ražošanas procesus, tostarp to, kā pielāgot perovskīta “tintes” izveidotajām lielapjoma risinājumu drukas metodēm. Visbeidzot, lai gan labākie perovskīti mūsdienās tiek izgatavoti ar nelielu svina daudzumu, pētnieki arī pēta alternatīvas kompozīcijas un jaunas iekapsulēšanas stratēģijas, lai mazinātu bažas, kas saistītas ar svina toksicitāti.
Kā CEI veicina perovskītu attīstību?
Perovskīta kristāliem bieži ir atomu mēroga defekti, kas var samazināt saules konversijas efektivitāti. CEI galvenais zinātnieks un ķīmijas profesors Deivids Džindžers izstrādāja “pasivācijas” metodes, apstrādājot perovskītus ar dažādiem ķīmiskiem savienojumiem, lai izārstētu šos defektus. Bet, kad perovskīta kristāli tiek samontēti saules baterijās, strāvas savācēji elektrodi var radīt papildu defektus. 2019. gadā Džindžers un Džordžijas Tehnikas līdzstrādnieki saņēma finansējumu no ASV Enerģētikas departamenta Saules enerģijas tehnoloģiju biroja (SETO), lai izstrādātu jaunas pasivēšanas stratēģijas un jaunus lādiņu savākšanas materiālus, kas ļautu perovskīta saules baterijām sasniegt pilnu efektivitātes potenciālu, vienlaikus saglabājot saderību. ar zemu izmaksu ražošanu.
Ķīmijas profesora Daniela Gamelina un viņa grupas mērķis ir modificēt silīcija saules baterijas ar perovskīta pārklājumiem, lai efektīvāk savāktu augstas enerģijas zilās gaismas fotonus, apejot tradicionālo silīcija elementu teorētisko 33% konversijas robežu. Gamelins un viņa komanda ir izstrādājuši perovskīta kvantu punktus — sīkas daļiņas, kas tūkstošiem reižu mazākas par cilvēka matu —, kas spēj absorbēt augstas enerģijas fotonus un izstarot divreiz vairāk zemas enerģijas fotonu, šo procesu sauc par “kvantu griešanu”. Katrs fotons, ko absorbē saules baterija, ģenerē vienu elektronu, tāpēc perovskīta kvantu punktu pārklājums varētu ievērojami palielināt konversijas efektivitāti.
Gamelins un viņa komanda ir izveidojuši jaunu uzņēmumu BlueDot Photonics, lai komercializētu tehnoloģiju. Ar SETO finansējumu Gamelin un BlueDot izstrādā nogulsnēšanas metodes, lai izveidotu plānas perovskīta materiālu plēves liela laukuma saules baterijām un parasto silīcija saules bateriju uzlabošanai.
Ķīmijas inženierijas profesors Hjū Hilhauss izmanto mašīnmācīšanās algoritmus, lai palīdzētu perovskītu izpētē. Izmantojot fotoluminiscenci, kas uzņemta ar ātrgaitas video, Hillhouse un viņa grupa testē dažādus hibrīdus perovskītus, lai nodrošinātu ilgtermiņa stabilitāti. Šie eksperimenti rada milzīgas datu kopas, taču, izmantojot mašīnmācīšanos, to mērķis ir radīt perovskīta saules bateriju degradācijas paredzamo modeli. Šis modelis var palīdzēt viņiem optimizēt perovskīta saules baterijas ķīmisko sastāvu un struktūru, lai nodrošinātu ilgtermiņa stabilitāti, kas ir galvenais šķērslis komercializācijai.
The Washington Clean Energy Testbeds, atvērtas piekļuves laboratorijas objekts, ko pārvalda CEI, pētnieki un uzņēmēji var izmantot vismodernākās iekārtas, lai izstrādātu, pārbaudītu un mērogotu tādas tehnoloģijas kā perovskīta saules baterijas. Izmantojot testa gultņu printeri no ruļļa uz ruļļiem, perovskīta tintes var drukāt uz elastīgām pamatnēm zemā temperatūrā. Testbeds tehniskais direktors J. Devins Makkenzijs, materiālu zinātnes profesors&pastiprinātājs; inženierzinātnes un mašīnbūve uzņēmumā UW ir eksperts materiālu un metožu jomā augstas caurlaidības un zemas oglekļa emisijas ražošanai. Viens no viņa grupas aktīvākajiem projektiem, ko finansē arī SETO, izstrādā in situ instrumentus, ar kuriem var izmērīt perovskīta kristālu augšanu, jo tie tiek ātri nogulsnēti drukājot no ruļļa uz ruļļiem. Ar Apvienotā attīstības centra un attīstības centra atbalstu. Zemes bagātīgo materiālu izpēte (JCDREAM), MacKenzie grupa arī izmanto pasaulē augstākās izšķirtspējas printeri, lai izstrādātu jaunus elektrodus, lai izvilktu elektrisko strāvu no perovskīta saules baterijām, nebloķējot saules gaismas iekļūšanu šūnā.
Vašingtonas Clean Energy Testbeds tehniskais direktors J. Devin MacKenzie demonstrē Testbeds daudzpakāpju ruļļveida printeri elastīgai elektronikai. (Tīras enerģijas institūts)
