Perovskite Solar Cell

co je perovskite?

perovskite je materiál, který má stejnou krystalovou strukturu jako minerální vápník oxid titaničitý, první objevena před perovskite crystal. Obecně platí, že perovskitových sloučenin chemické vzorce ABX3, kde “ a “ a “ B “ představují kationty a X je anion, že dluhopisy pro oba. Velké množství různých prvků lze kombinovat dohromady za vzniku perovskitových struktur. Pomocí této kompoziční flexibility, vědci mohou navrhnout perovskitové krystaly tak, aby měly širokou škálu fyzikálních, optický, a elektrické vlastnosti. Perovskitové krystaly se dnes nacházejí v ultrazvukových strojích, paměťových čipech a nyní-solárních článcích.

Čisté energie aplikací perovskites

Všechny fotovoltaické solární články spoléhat na polovodiče — materiály v střední cestu mezi elektrické izolátory, jako jsou skleněné a kovové vodiče, jako je měděný — otočit energie ze světla na elektřinu. Světlo ze slunce vzrušuje elektrony v polovodičovém materiálu, které proudí do vodivých elektrod a produkují elektrický proud.

Silicon byla primární polovodičový materiál použitý v solárních článků od roku 1950, jako jeho polovodičové vlastnosti sladit dobře s celým spektrem slunečního záření a to je poměrně hojný a stabilní. Velké krystaly křemíku používané v konvenčních solárních panelech však vyžadují nákladný vícestupňový výrobní proces, který využívá hodně energie. Při hledání alternativy vědci využili laditelnost perovskitů k vytvoření polovodičů s podobnými vlastnostmi jako křemík. Perovskitové solární články mohou být vyrobeny za použití jednoduchých aditivních depozičních technik, jako je tisk, za zlomek nákladů a energie. Díky kompoziční flexibilitě perovskitů mohou být také naladěny tak, aby ideálně odpovídaly slunečnímu spektru.

V roce 2012, vědci poprvé objevili, jak vytvořit stabilní, thin-film perovskite solární článek se světlo foton-elektron účinnost konverze více než 10%, pomocí halogenidy olova perovskites jako světlo-absorbující vrstva. Od té doby se účinnost přeměny perovskitových solárních článků na sluneční světlo na elektrickou energii prudce zvýšila, přičemž laboratorní rekord činil 25.2%. Vědci jsou také kombinace perovskitové solární buňky s konvenční křemíkové solární články – záznam účinnosti pro tyto „perovskite na křemíku“ tandem buňky jsou v současné době 29.1% (překonal rekord z 27% pro konvenční křemíkové buňky) a rychle roste. S tímto rychlým nárůstem účinnosti článků se perovskitové solární články a perovskitové tandemové solární články mohou brzy stát levnými, vysoce účinnými alternativami ke konvenčním křemíkovým solárním článkům.

jaké jsou některé současné výzkumné cíle?

Zatímco perovskitové solární buňky, včetně perovskite na křemíku tandemy, jsou komerčně desítky firem po celém světě, stále existují základní vědy a inženýrství výzvy k řešení, které mohou zlepšit jejich výkon, spolehlivost a vyrobitelnosti.

někteří perovskitští vědci pokračují v prosazování účinnosti konverze charakterizováním defektů v perovskitu. Zatímco perovskitové polovodiče jsou pozoruhodně odolné vůči defektům, vady stále –negativně ovlivňují výkon — zejména ty, které se vyskytují na povrchu aktivní vrstvy. Jiní badatelé zkoumají nové perovskite chemické přípravky, jak naladit jejich elektronických vlastností pro konkrétní aplikace (jako tandemu mobilní komíny), nebo dále zlepšit jejich stabilitu a životnost.

Výzkumníci také pracují na nové mobilní vzory, nové zapouzdření strategie na ochranu perovskites z prostředí, a pochopit základní odbourávání, takže můžete použít zrychlené stárnutí studií předvídat, jak perovskitových solárních článků bude trvat na střechách. Jiní rychle zkoumají různé výrobní procesy, včetně toho, jak přizpůsobit perovskitové „inkousty“zavedeným metodám tisku ve velkém měřítku. Konečně, zatímco nejvýkonnější perovskity jsou dnes vyráběny s malým množstvím olova, vědci také zkoumají alternativní kompozice a nové strategie zapouzdření, aby se zmírnily obavy spojené s toxicitou olova.

perovskite_video_script

hotplate_program diagram

jak CEI postupuje v perovskitech?

perovskitové krystaly často vykazují defekty atomového měřítka, které mohou snížit účinnost přeměny slunečního záření. Hlavní vědec CEI a profesor chemie David Ginger vyvinul techniky „pasivace“, léčení perovskitů různými chemickými sloučeninami k léčení těchto defektů. Když jsou však perovskitové krystaly sestaveny do solárních článků, mohou elektrody sbírající proud vytvořit další vady. V roce 2019 Ginger a spolupracovníci v Georgia Tech obdrželi finanční prostředky od USA. Oddělení Energie je Solární Energie Technologií Úřadu (SETO) rozvíjet nové pasivace strategie a nové starosti sběr materiálu, což umožňuje perovskitových solárních článků dosáhnout své plné účinnosti potenciál, přičemž stále zůstává kompatibilní s nízkými náklady na výrobu.

Chemie profesor Daniel Gamelin a jeho skupinu, jejichž cílem je upravit křemíkové solární články s perovskite nátěry shromažďovat vysoce energetické fotony modré světlo efektivněji, obcházet teoretický limit 33% konverze na konvenční křemíkové buňky. Gamelin a jeho tým vyvinuli perovskitové kvantové tečky-malé částice tisíckrát menší než lidské vlasy — které mohou absorbovat vysokoenergetické fotony a emitovat dvakrát tolik nízkoenergetických fotonů, proces nazývaný „kvantové řezání“.“Každý foton absorbovaný solárním článkem generuje jeden elektron, takže perovskitový kvantový bodový povlak by mohl dramaticky zvýšit účinnost konverze.

Gamelin a jeho tým vytvořili spinoff společnost s názvem BlueDot Fotonika komercializovat technologie. S financováním od SETO, Gamelin a BlueDot vyvíjejí ukládání techniky pro vytvoření tenkých vrstev perovskitových materiálů pro velké plochy-solární buňky a pro posílení konvenční křemíkové solární články.

Profesor chemického inženýrství Hugh Hillhouse používá algoritmy strojového učení k podpoře výzkumu perovskitů. Pomocí fotoluminiscence zachycené vysokorychlostním videem, Hillhouse a jeho skupina testují různé hybridní perovskity pro dlouhodobou stabilitu. Tyto experimenty generují obrovské soubory dat, ale pomocí strojového učení, jejich cílem je vytvořit prediktivní model degradace pro perovskitových solárních článků. Tento model jim může pomoci optimalizovat chemické složení a struktura perovskitových solárních článků pro dlouhodobou stabilitu — klíčovou překážku pro komercializaci.

V Washington Čisté Energie Testbeds, open-přístup laboratoř provozuje CEI, výzkumní pracovníci a podnikatelé mohou využít state-of-the-art zařízení, rozvíjet, testovat a rozsahu technologií, jako perovskitových solárních článků. Pomocí tiskárny roll to roll na Testbeds lze perovskitové inkousty tisknout při nízkých teplotách na pružné podklady. Testbeds technický ředitel J. Devin MacKenzie, profesor vědy o materiálech & strojírenství a strojní inženýrství na UW, je expert na materiály a technologie pro vysokou propustností a nízkou uhlíkovou výroby. Jeden z nejaktivnějších projektů jeho skupiny, financovaný také společností SETO, vyvíjí in situ nástroje, které mohou měřit růst perovskitových krystalů, protože se rychle ukládají během tisku roll-to-roll. S podporou ze Společného Centra pro Rozvoj a Výzkum Země Bohaté Materiály (JCDREAM), MacKenzie skupiny je také použití světa je nejvyšší rozlišení tiskárny rozvíjet nové elektrody vytáhnout elektrický proud z perovskitové solární buňky bez blokování slunečního světla od vstupu do buňky.