Perovskiittinen aurinkokenno

mikä on perovskiitti?

perovskiitti on materiaali, jolla on sama kiderakenne kuin mineraalilla kalsiumtitaanioksidilla, ensimmäisenä löydetyllä perovskiittikiteellä. Yleensä perovskiittiyhdisteiden kemiallinen kaava on ABX3, jossa ” A ” ja ” B ” edustavat kationeja ja X on anioni, joka sitoutuu molempiin. Suuri määrä erilaisia alkuaineita voidaan yhdistää yhteen muodostaen perovskiittirakenteita. Käyttämällä tätä koostumuksellista joustavuutta tutkijat voivat suunnitella perovskiittikiteitä, joilla on monenlaisia fysikaalisia, optisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Perovskiittikiteitä löytyy nykyään ultraäänilaitteista, muistisiruista ja nykyisistä aurinkokennoista.

Perovskiittien puhtaan energian Sovellukset

kaikki aurinkokennot tukeutuvat puolijohteisiin — materiaaleihin, jotka ovat keskellä maata sähköeristimien, kuten lasin ja metallisten johtimien, kuten kuparin, välissä — muuttaakseen valon energian sähköksi. Auringosta tuleva valo herättää puolijohdemateriaalissa elektroneja, jotka virtaavat johtaviin elektrodeihin ja tuottavat sähkövirtaa.

Pii on ollut ensisijainen aurinkokennoissa käytetty puolijohdemateriaali 1950-luvulta lähtien, sillä sen puolijohteiden ominaisuudet sopivat hyvin auringon säteiden spektriin ja se on suhteellisen runsas ja vakaa. Tavanomaisissa aurinkopaneeleissa käytettävät suuret piikiteet vaativat kuitenkin kalliin, monivaiheisen valmistusprosessin, joka hyödyntää paljon energiaa. Etsiessään vaihtoehtoa tutkijat ovat valjastaneet perovskiittien viritettävyyden luomaan puolijohteita, joilla on samanlaisia ominaisuuksia kuin piillä. Perovskite – aurinkokennoja voidaan valmistaa yksinkertaisilla, additiivisilla pinnoitustekniikoilla, kuten painatuksella, murto-osalla kustannuksista ja energiasta. Perovskiittien koostumuksellisen joustavuuden vuoksi ne voidaan myös virittää ihanteellisesti vastaamaan Auringon spektriä.

vuonna 2012 tutkijat keksivät ensimmäisen kerran, miten saadaan aikaan vakaa, ohutkalvoinen perovskiittinen aurinkokenno, jossa valon fotonin ja elektronin muunnostehokkuus on yli 10%, käyttämällä lyijyhalidiperovskiitteja valoa absorboivana kerroksena. Sen jälkeen perovskiittisten aurinkokennojen auringonvalosta sähköenergiaan-muuntohyötysuhde on noussut huimasti, ja laboratorioennätys on 25,2%. Tutkijat yhdistävät myös perovskite-aurinkokennoja tavanomaisiin pii – aurinkokennoihin-näiden ”perovskite on silicon” – tandemkennojen ennätystehot ovat tällä hetkellä 29,1% (ylittävät tavanomaisten piikennojen 27%: n ennätyksen) ja kasvavat nopeasti. Tämän nopean nousun solujen tehokkuutta, perovskite aurinkokennot ja perovskite tandem aurinkokennot voivat pian tulla halpa, erittäin tehokas vaihtoehtoja tavanomaisten pii aurinkokennot.

mitkä ovat joitakin nykyisiä tutkimustavoitteita?

vaikka perovskite-aurinkokennot, mukaan lukien perovskite pii-tandemeilla, kaupallistetaan kymmenissä yrityksissä ympäri maailmaa, on vielä tieteen ja tekniikan perushaasteita, jotka voivat parantaa niiden suorituskykyä, luotettavuutta ja valmistettavuutta.

jotkut perovskiittitutkijat ajavat edelleen konversiotehokkuutta luonnehtimalla perovskiitin vikoja. Vaikka perovskiittipuolijohteet ovat huomattavan vikasietoisia, viat vaikuttavat silti negatiivisesti suorituskykyyn –erityisesti aktiivisen kerroksen pinnalla esiintyvät. Muut tutkijat tutkivat uusia perovskite kemiallisia muotoiluja, sekä virittää niiden elektronisia ominaisuuksia tiettyihin sovelluksiin (kuten tandem solu pinot), tai parantaa niiden vakautta ja käyttöikää.

tutkijat työstävät myös uusia solumalleja, uusia kapselointistrategioita perovskiittien suojelemiseksi ympäristöltä ja perushajoamisreittien ymmärtämiseksi, jotta he voivat nopeutettujen ikääntymistutkimusten avulla ennustaa, miten perovskiittien aurinkokennot kestävät katoilla. Toiset tutkivat nopeasti erilaisia valmistusprosesseja, mukaan lukien perovskiitti-”musteiden” sovittamista vakiintuneisiin suuren mittakaavan ratkaisutulostusmenetelmiin. Lopuksi, vaikka parhaiten menestyvät perovskiitit tehdään nykyään pienellä määrällä lyijyä, tutkijat tutkivat myös vaihtoehtoisia koostumuksia ja uusia kapselointistrategioita lieventääkseen lyijyn myrkyllisyyteen liittyviä huolenaiheita.

perovskite_video_script

hotplate_ program diagram

miten CEI etenee perovskiitteja?

Perovskiittikiteissä on usein atomitason vikoja, jotka voivat heikentää auringon konversiotehokkuutta. Cei Päätutkija ja kemian professori David Ginger on kehittänyt ”passivointitekniikoita”, jotka käsittelevät perovskiitteja erilaisilla kemiallisilla yhdisteillä näiden vikojen parantamiseksi. Mutta kun perovskiittikiteitä kootaan aurinkokennoihin, virtaa keräävät elektrodit voivat aiheuttaa lisää vikoja. Vuonna 2019 Georgia Techin Ginger ja yhteistyökumppanit saivat rahoitusta Yhdysvalloista. Department of Energy ’ s Solar Energy Technologies Office (SETO) kehittää uusia passivointistrategioita ja uusia maksuja kerääviä materiaaleja, joiden avulla perovskite-aurinkokennot voivat saavuttaa täyden tehokkuuspotentiaalinsa säilyttäen silti yhteensopivuuden edullisen valmistuksen kanssa.

kemian professori Daniel Gamelin ryhmineen pyrkii muokkaamaan piin aurinkokennoja perovskiittipinnoitteilla niin, että sinisen valon korkeaenergiset fotonit saadaan kerättyä tehokkaammin, ohittaen perinteisten piikennojen teoreettisen 33%: n muuntorajan. Gamelin ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet perovskiittikvanttipisteitä-tuhansia kertoja pienempiä hiukkasia kuin ihmisen hius-jotka voivat absorboida korkeaenergisiä fotoneja ja lähettää kaksi kertaa niin paljon matalaenergisiä fotoneja, prosessia kutsutaan ”kvanttileikkaukseksi”.”Jokainen aurinkokennon absorboima fotoni tuottaa yhden elektronin, joten perovskiitin kvanttipistepinnoite voisi dramaattisesti lisätä muunnostehokkuutta.

Gamelin ryhmineen on perustanut bluedot Photonics-nimisen spinoff-yrityksen teknologian kaupallistamiseksi. Seton rahoituksella Gamelin ja BlueDot kehittävät pinnoitustekniikoita, joilla voidaan luoda perovskiittimateriaaleista ohutkalvoja suuren alueen aurinkokennoihin ja parantaa perinteisiä pii-aurinkokennoja.

kemiantekniikan professori Hugh Hillhouse käyttää koneoppimisalgoritmeja apuna perovskiittien tutkimuksessa. Nopealla videolla kuvatun fotoluminesenssin avulla Hillhouse ryhmineen testaa erilaisia hybridi-perovskiitteja pitkän aikavälin vakauden saavuttamiseksi. Nämä kokeet tuottavat valtavia tietokokonaisuuksia, mutta koneoppimisen avulla ne pyrkivät luomaan perovskiittien aurinkokennoille ennustavan hajoamismallin. Tämä malli voi auttaa heitä optimoimaan kemiallisen rakenteen ja rakenteen perovskite aurinkokenno pitkän aikavälin vakautta-keskeinen este kaupallistamisen.

CEI: n ylläpitämässä Washington Clean Energy Testbeds-laboratoriossa tutkijat ja yrittäjät voivat hyödyntää huipputeknisiä laitteita kehittääkseen, testatakseen ja skaalatakseen teknologioita, kuten perovskite-aurinkokennoja. Perovskite-musteet voidaan tulostaa alhaisissa lämpötiloissa joustaville alustoille käyttämällä telaa tulostimen rullaamiseen Koepohjissa. Testbedsin tekninen johtaja J. Devin MacKenzie, UW: n materiaalitieteen professori & engineering and mechanical engineering, on korkean suoritustehon ja pienen hiilijalanjäljen valmistuksen materiaalien ja tekniikoiden asiantuntija. Yksi hänen ryhmänsä aktiivisimmista hankkeista, jota myös SETO rahoittaa, on kehittää in situ-instrumentteja, joilla voidaan mitata perovskiittikiteiden kasvua, kun ne talletetaan nopeasti rullasta rullaan-tulostuksen aikana. Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM) – järjestön tuella Mackenzien ryhmä käyttää myös maailman korkeimman resoluution tulostinta kehittääkseen uusia elektrodeja, jotka vetävät sähkövirtaa perovskite-aurinkokennoista estämättä auringonvaloa pääsemästä soluun.