Perovskite napelem

mi a perovskite?

a perovszkit olyan anyag, amelynek kristályszerkezete megegyezik az ásványi kalcium-titán-oxiddal, az első felfedezett perovszkitkristállyal. Általában a perovszkitvegyületek kémiai képlete ABX3, ahol az ‘A’ és a ‘ B ‘ kationokat jelöl, X pedig egy anion, amely mindkettőhöz kötődik. Számos különböző elem kombinálható egymással perovszkit szerkezetek kialakításához. Ennek a kompozíciós rugalmasságnak a felhasználásával a tudósok a perovszkit kristályokat sokféle fizikai, optikai és elektromos jellemzőre tervezhetik. A perovszkit kristályokat ma ultrahangos gépekben, memória chipekben, most pedig napelemekben találják meg.

tiszta energia alkalmazások perovskites

minden fotovoltaikus napelemek támaszkodnak félvezetők-anyagok a középső föld között elektromos szigetelők, mint az üveg és fém vezetők, mint a réz-viszont az energia a fényből villamos energia. A napból származó fény gerjeszti a félvezető anyagban lévő elektronokat, amelyek vezető elektródákba áramlanak és elektromos áramot termelnek.

A Szilícium az 1950-es évek óta a napelemekben használt elsődleges félvezető anyag, mivel félvezető tulajdonságai jól illeszkednek a napsugarak spektrumához, és viszonylag bőséges és stabil. A hagyományos napelemekben használt nagy szilíciumkristályok azonban drága, többlépcsős gyártási folyamatot igényelnek, amely sok energiát használ fel. Egy alternatíva keresésekor a tudósok kihasználták a perovszkitok hangolhatóságát, hogy a szilíciumhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkező félvezetőket hozzanak létre. A perovszkit napelemek egyszerű, additív lerakódási technikákkal, például nyomtatással állíthatók elő, a költségek és az energia töredékéért. A perovszkiták kompozíciós rugalmassága miatt úgy is beállíthatók, hogy ideálisan illeszkedjenek a nap spektrumához.

2012-ben a kutatók először felfedezték, hogyan lehet stabil, vékony film perovszkit napelemet készíteni 10% feletti fény foton-elektron konverziós hatékonysággal, ólom-halogenid perovszkitok felhasználásával fényelnyelő rétegként. Azóta a perovszkit napelemek napfény-elektromos energia konverziós hatékonysága az egekbe szökött,a laboratóriumi rekord 25,2%. A kutatók a perovszkit napelemeket a hagyományos szilícium napelemekkel is kombinálják – ezeknek a “perovszkit szilíciumon” tandemcelláknak a rekord hatékonysága jelenleg 29,1% (meghaladja a hagyományos szilíciumcellák 27% – át), és gyorsan növekszik. A cellák hatékonyságának gyors növekedésével a perovszkit napelemek és a perovszkit tandem napelemek hamarosan olcsó, rendkívül hatékony alternatívákká válhatnak a hagyományos szilícium napelemek számára.

melyek a jelenlegi kutatási célok?

míg a perovszkit napelemeket, köztük a szilícium tandemeken lévő perovszkitot világszerte több tucat vállalat forgalmazza, még mindig vannak olyan alapvető tudományos és mérnöki kihívások, amelyek javíthatják teljesítményüket, megbízhatóságukat és gyárthatóságukat.

néhány perovszkit kutató folytatja a konverziós hatékonyság növelését a perovszkit hibáinak jellemzésével. Míg a perovszkit félvezetők figyelemre méltóan hibatűrőek, a hibák még mindig-negatívan befolyásolják a teljesítményt –különösen az aktív réteg felületén előforduló hibákat. Más kutatók új perovszkit kémiai vegyületeket vizsgálnak, mind az elektronikus tulajdonságaik speciális alkalmazásokhoz (például tandemcellákhoz) történő igazítása, mind stabilitásuk és élettartamuk további javítása érdekében.

A kutatók új sejtterveken, új kapszulázási stratégiákon is dolgoznak, hogy megvédjék a perovszkitokat a környezettől, és megértsék az alapvető lebomlási útvonalakat, hogy gyorsított öregedési vizsgálatokat használhassanak annak előrejelzésére, hogy a perovszkit napelemek hogyan fognak tartani a háztetőkön. Mások gyorsan feltárják a különböző gyártási folyamatokat, beleértve a perovszkit “tinták” adaptálását a bevált nagyszabású megoldásnyomtatási módszerekhez. Végül, míg a legjobban teljesítő perovszkitokat ma kis mennyiségű ólommal készítik, a kutatók alternatív összetételeket és új kapszulázási stratégiákat is vizsgálnak az ólommérgezéssel kapcsolatos aggodalmak enyhítése érdekében.

perovskite_video_script

hotplate_program diagram

hogyan halad a CEI perovskites?

A perovszkit kristályok gyakran atomi léptékű hibákat mutatnak, amelyek csökkenthetik a napenergia átalakításának hatékonyságát. A CEI vezető tudósa és kémiai professzora, David Ginger “passzivációs” technikákat fejlesztett ki, a perovszkitokat különböző kémiai vegyületekkel kezelve, hogy meggyógyítsák ezeket a hibákat. De amikor a perovszkit kristályokat napelemekké állítják össze, az áramgyűjtő elektródák további hibákat okozhatnak. 2019-ben Ginger és a Georgia Tech munkatársai támogatást kaptak az Egyesült Államoktól. Az Energiaügyi Minisztérium Solar Energy Technologies Office (Seto) új passzivációs stratégiákat és új töltésgyűjtő anyagokat dolgoz ki, amelyek lehetővé teszik a perovszkit napelemek teljes hatékonysági potenciáljának elérését, miközben továbbra is kompatibilisek az alacsony költségű gyártással.

Daniel Gamelin kémiaprofesszor és csoportja célja a perovszkit bevonatú szilícium napelemek módosítása a nagy energiájú kék fény fotonjainak hatékonyabb összegyűjtése érdekében, megkerülve a hagyományos szilíciumcellák elméleti 33%-os konverziós határát. Gamelin és csapata kifejlesztette a perovszkit kvantumpontokat — apró részecskéket, amelyek ezerszer kisebbek, mint egy emberi hajszál—, amelyek képesek elnyelni a nagy energiájú fotonokat és kétszer annyi alacsony energiájú fotont bocsátanak ki, ezt a folyamatot “kvantumvágásnak” nevezik.”Minden napelem által elnyelt foton egy elektront generál, így a perovszkit kvantumpont bevonat drámai módon növelheti a konverziós hatékonyságot.

Gamelin és csapata megalapította a BlueDot Photonics nevű spinoff céget a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalára. A Seto támogatásával a Gamelin és a BlueDot olyan lerakódási technikákat fejleszt ki, amelyek vékony perovszkit anyagokat hoznak létre nagy területű napelemekhez és a hagyományos szilícium napelemek javításához.

Hugh Hillhouse vegyészmérnök professzor gépi tanulási algoritmusokat használ a perovszkiták kutatásának elősegítésére. A nagy sebességű videó által rögzített fotolumineszcencia felhasználásával Hillhouse és csoportja különféle hibrid perovszkitokat tesztel a hosszú távú stabilitás érdekében. Ezek a kísérletek hatalmas adathalmazokat generálnak, de a gépi tanulás felhasználásával a perovszkit napelemek lebomlásának prediktív modelljét kívánják létrehozni. Ez a modell segíthet nekik optimalizálni a perovszkit napelem kémiai összetételét és szerkezetét a hosszú távú stabilitás érdekében-ami kulcsfontosságú akadálya a kereskedelmi forgalomba hozatalnak.

A Washington Clean Energy Testbeds, a CEI által működtetett nyílt hozzáférésű laboratóriumi létesítményben a kutatók és a vállalkozók a legmodernebb berendezéseket használhatják olyan technológiák kifejlesztésére, tesztelésére és méretezésére, mint a perovszkit napelemek. A roll to roll nyomtató használata a Tesztágyaknál, a perovskite tinták alacsony hőmérsékleten rugalmas aljzatokra nyomtathatók. A Testbeds műszaki igazgatója, J. Devin MacKenzie, az UW Anyagtudományi és Gépészmérnöki professzora, a nagy áteresztőképességű és alacsony szénlábnyomú gyártás anyagainak és technikáinak szakértője. Csoportjának egyik legaktívabb projektje, amelyet szintén a SETO Finanszíroz, olyan In situ eszközöket fejleszt, amelyek képesek mérni a perovszkit kristályok növekedését, mivel azok gyorsan lerakódnak a tekercs-tekercs nyomtatás során. A joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (Jcdream) támogatásával a MacKenzie csoport a világ legnagyobb felbontású nyomtatóját is használja Új elektródák kifejlesztésére, amelyek elektromos áramot húznak ki a perovszkit napelemekből anélkül, hogy megakadályoznák a napfény bejutását a cellába.