Avots: news.mit.edu
Perovskīti sola radīt saules paneļus, kurus varētu viegli uzklāt uz lielākās daļas virsmu, tostarp elastīgām un teksturētām. Šie materiāli būtu arī viegli, lēti ražojami un tikpat efektīvi kā mūsdienu vadošie fotoelektriskie materiāli, kas galvenokārt ir silīcijs. Tie ir arvien pieaugoša izpēte un investīciju objekts, taču uzņēmumiem, kas vēlas izmantot savu potenciālu, ir jānovērš daži atlikušie šķēršļi, pirms perovskīta bāzes saules baterijas var kļūt komerciāli konkurētspējīgas.
Termins perovskīts attiecas nevis uz konkrētu materiālu, piemēram, silīciju vai kadmija telurīdu, citiem vadošajiem pretendentiem fotoelektriskajā jomā, bet gan uz veselu savienojumu saimi. Saules materiālu perovskīta saime ir nosaukta tās strukturālās līdzības dēļ ar minerālu, ko sauc par perovskītu, kas tika atklāts 1839. gadā un nosaukts krievu mineraloga LA Perovski vārdā.
Sākotnējam minerālam perovskītam, kas ir kalcija titāna oksīds (CaTiO3), ir raksturīga kristāla konfigurācija. Tam ir trīsdaļīga struktūra, kuras komponenti ir apzīmēti ar A, B un X, kuros dažādu komponentu režģi ir savīti. Perovskītu saime sastāv no daudzām iespējamām elementu vai molekulu kombinācijām, kas var aizņemt katru no trim komponentiem un veidot struktūru, kas līdzīga paša oriģinālā perovskīta struktūrai. (Daži pētnieki pat nedaudz izmaina noteikumus, nosaucot citas kristāla struktūras ar līdzīgiem elementiem par "perovskītiem", lai gan kristalogrāfi to neapmierina.)
"Jūs varat sajaukt un saskaņot struktūrā atomus un molekulas ar dažiem ierobežojumiem. Piemēram, ja mēģināsit struktūrā ievietot pārāk lielu molekulu, jūs to izkropļosit. Galu galā jūs varat izraisīt 3D kristāla sadalīšanos. 2D slāņaina struktūra vai pilnībā zaudēt sakārtotu struktūru," saka Tonio Buonassisi, MIT mašīnbūves profesors un Fotoelementu pētniecības laboratorijas direktors. "Perovskīti ir ļoti noskaņojami, piemēram, kristāla struktūras veidošanas veids, kā izveidot savu piedzīvojumu," viņš saka.
Šī savīto režģu struktūra sastāv no joniem vai lādētām molekulām, no kurām divas (A un B) ir pozitīvi lādētas, bet otra (X) ir negatīvi lādēta. A un B joni parasti ir diezgan dažāda izmēra, un A ir lielāki.
Vispārējā perovskītu kategorijā ir vairāki veidi, tostarp metāla oksīda perovskīti, kas ir atraduši pielietojumu katalīzē un enerģijas uzglabāšanā un pārveidē, piemēram, kurināmā elementos un metāla-gaisa akumulatoros. Saskaņā ar Buonassisi teikto, galvenais pētniecības darbības virziens vairāk nekā desmit gadus ir bijis svina halogenīdu perovskītiem.
Šajā kategorijā joprojām ir daudz iespēju, un laboratorijas visā pasaulē cīnās ar nogurdinošo darbu, cenšoties atrast variantus, kas parāda vislabāko veiktspēju efektivitātes, izmaksu un izturības ziņā — kas līdz šim ir bijis visgrūtākais no trim.
Daudzas komandas ir arī koncentrējušās uz variantiem, kas novērš svina izmantošanu, lai izvairītos no tā ietekmes uz vidi. Tomēr Buonassisi atzīmē, ka "laika gaitā konsekventi uz svinu balstīto ierīču veiktspēja turpina uzlaboties, un neviena no citām kompozīcijām elektroniskās veiktspējas ziņā ne tuvu nebija." Turpinās darbs pie alternatīvu izpētes, taču pagaidām neviena nevar konkurēt ar svina halogenīdu versijām.
Viņš saka, ka viena no lielajām perovskītu priekšrocībām ir to lielā tolerance pret struktūras defektiem. Atšķirībā no silīcija, kam nepieciešama ārkārtīgi augsta tīrība, lai labi darbotos elektroniskajās ierīcēs, perovskīti var labi darboties pat ar daudzām nepilnībām un piemaisījumiem.
Daudzsološu jaunu perovskītu kandidātkompozīciju meklēšana līdzinās adatas meklēšanai siena kaudzē, taču nesen pētnieki ir nākuši klajā ar mašīnmācīšanās sistēmu, kas var ievērojami racionalizēt šo procesu. Šī jaunā pieeja varētu novest pie daudz ātrākas jaunu alternatīvu izstrādes, saka Buonassisi, kurš bija šī pētījuma līdzautors.
Lai gan perovskīti turpina izrādīt lielus solījumus un vairāki uzņēmumi jau gatavojas uzsākt komerciālu ražošanu, izturība joprojām ir lielākais šķērslis, ar ko tie saskaras. Lai gan silīcija saules paneļi saglabā līdz pat 90 procentiem jaudas pēc 25 gadiem, perovskīti noārdās daudz ātrāk. Ir panākts liels progress — sākotnējie paraugi ilga tikai dažas stundas, pēc tam nedēļas vai mēnešus, bet jaunāku preparātu lietošanas laiks ir līdz dažiem gadiem, kas ir piemēroti dažiem lietojumiem, kur ilgmūžība nav būtiska.
No pētniecības viedokļa Buonassisi saka, ka viena perovskītu priekšrocība ir tā, ka tos ir salīdzinoši viegli izgatavot laboratorijā — ķīmiskās sastāvdaļas viegli samontē. Bet tas ir arī viņu mīnuss: "Materiāls ļoti viegli saplūst istabas temperatūrā," viņš saka, "taču tas ļoti viegli sadalās arī istabas temperatūrā. Easy come, easy go!"
Lai risinātu šo problēmu, lielākā daļa pētnieku koncentrējas uz dažādu veidu aizsargmateriālu izmantošanu, lai iekapsulētu perovskītu, aizsargājot to no gaisa un mitruma iedarbības. Bet citi pēta precīzus mehānismus, kas noved pie šīs degradācijas, cerot atrast formulējumus vai ārstēšanu, kas pēc būtības ir izturīgāki. Galvenais atklājums ir tāds, ka sabrukumā lielā mērā ir vainojams process, ko sauc par autokatalīzi.
Autokatalīzē, tiklīdz viena materiāla daļa sāk noārdīties, tās reakcijas produkti darbojas kā katalizatori, lai sāktu degradēt blakus esošās struktūras daļas, un notiek bēgšanas reakcija. Līdzīga problēma pastāvēja dažu citu elektronisko materiālu, piemēram, organisko gaismas diožu (OLED) agrīnajos pētījumos, un galu galā tika atrisināta, pievienojot izejmateriāliem papildu attīrīšanas darbības, tāpēc līdzīgu risinājumu var atrast perovskīti, iesaka Buonassisi.
Buonassisi un viņa līdzpētnieki nesen pabeidza pētījumu, kurā parādīts, ka, tiklīdz perovskīti ir sasnieguši vismaz desmit gadus ilgu izmantojamo kalpošanas laiku, pateicoties to daudz zemākajām sākotnējām izmaksām, kas būtu pietiekamas, lai padarītu tos ekonomiski dzīvotspējīgus kā silīcija aizstājēju lielos, lietderīgos. mēroga saules fermas.
Kopumā progress perovskītu attīstībā ir bijis iespaidīgs un iepriecinošs, viņš saka. Tikai dažus gadus strādājot, tas jau ir sasniedzis efektivitāti, kas ir salīdzināma ar līmeni, ko kadmija telurīds (CdTe), "kas pastāv daudz ilgāk, joprojām cīnās, lai sasniegtu", viņš saka. "Vieglums, ar kādu šie augstākie sniegumi tiek sasniegti šajā jaunajā materiālā, ir gandrīz satriecoši." Salīdzinot izpētes laiku, kas pavadīts, lai panāktu efektivitātes uzlabošanos par 1%, viņš saka, ka progress attiecībā uz perovskītiem ir bijis 100–1 reizes 000 reizes ātrāks nekā ar CdTe. "Tas ir viens no iemesliem, kāpēc tas ir tik aizraujoši," viņš saka.
