Perovskite Solar Cell

Hva er en perovskite ?

en perovskitt er et materiale som har samme krystallstruktur som mineralet kalsiumtitanoksid, den første oppdagede perovskittkrystallen. Vanligvis har perovskittforbindelser en kjemisk formel ABX3, Hvor ‘ A ‘og’ B ‘ representerer kationer og X er en anion som bindes til begge. Et stort antall forskjellige elementer kan kombineres sammen for å danne perovskite strukturer. Ved hjelp av denne komposisjonelle fleksibiliteten kan forskere designe perovskite krystaller for å ha et bredt spekter av fysiske, optiske og elektriske egenskaper. Perovskite krystaller finnes i dag i ultralyd maskiner, minnebrikker, og nå-solceller.

Rene energiapplikasjoner av perovskites

Alle fotovoltaiske solceller er avhengige av halvledere-materialer i midten mellom elektriske isolatorer som glass og metallledere som kobber – for å slå energien fra lys til elektrisitet. Lys fra solen spenner elektroner i halvledermaterialet, som strømmer inn i ledende elektroder og produserer elektrisk strøm.

Silisium Har vært det primære halvledermaterialet som brukes i solceller siden 1950-tallet, da dets halvledende egenskaper samsvarer godt med spekteret av solens stråler, og det er relativt rikelig og stabilt. De store silisiumkrystallene som brukes i konvensjonelle solcellepaneler krever imidlertid en dyr, flertrinns produksjonsprosess som bruker mye energi. I søket etter et alternativ har forskere utnyttet perovskites tunabilitet for å skape halvledere med lignende egenskaper til silisium. Perovskite solceller kan produseres ved hjelp av enkle, additive deponeringsteknikker, som utskrift, for en brøkdel av kostnaden og energien. På grunn av perovskites komposisjonelle fleksibilitet kan de også justeres for å passe perfekt til solens spektrum.

i 2012 oppdaget forskerne først hvordan man lager en stabil, tynnfilm perovskite solcelle med lysfoton-til-elektron konverteringseffektivitet over 10%, ved hjelp av blyhalogenid perovskites som lysabsorberende lag. Siden da har sollyset til elektrisk kraftkonverteringseffektivitet av perovskite solceller skyrocketed, med laboratorieopptaket på 25, 2%. Forskere kombinerer også perovskite solceller med konvensjonelle silisiumsolceller-rekordeffektivitet for disse» perovskite på silisium » tandemceller er for tiden 29, 1% (overgår rekorden på 27% for konvensjonelle silisiumceller) og stiger raskt. Med denne raske økningen i celleeffektivitet, perovskite solceller og perovskite tandem solceller kan snart bli billige, svært effektive alternativer til konvensjonelle silisium solceller.

Hva er noen aktuelle forskningsmål?

mens perovskite solceller, inkludert perovskite på silisium tandems, blir kommersialisert av dusinvis av selskaper over hele verden, er det fortsatt grunnleggende vitenskap og tekniske utfordringer å løse som kan forbedre ytelsen, påliteligheten og produserbarheten.

Noen perovskite forskere fortsette å presse konvertering effektivitet ved å karakterisere feil i perovskite. Mens perovskite halvledere er bemerkelsesverdig feiltolerante, påvirker defekter fortsatt ytelsen — spesielt de som forekommer på overflaten av det aktive laget. Andre forskere utforsker nye perovskite kjemiske formuleringer, både for å tune deres elektroniske egenskaper for spesifikke applikasjoner (som tandemcellestabler), eller ytterligere forbedre stabiliteten og levetiden.

Forskere jobber også med nye celledesign, nye innkapslingsstrategier for å beskytte perovskites fra miljøet, og å forstå grunnleggende nedbrytningsbaner, slik at de kan bruke akselererte aldringsstudier for å forutsi hvordan perovskite solceller vil vare på hustak. Andre utforsker raskt en rekke produksjonsprosesser, inkludert hvordan man tilpasser perovskite «blekk» til etablerte storskala løsningsmetoder. Til slutt, mens de beste resultatene perovskites i dag er laget med en liten mengde bly, undersøker forskere også alternative komposisjoner og nye innkapslingsstrategier for å redusere bekymringer knyttet til blyforgiftning.

perovskite_video_script

hotplate_program diagram

HVORDAN er CEI fremme perovskites?

Perovskite krystaller viser ofte atomskala defekter som kan redusere solenergi konvertering effektivitet. Cei Chief Scientist Og kjemi professor David Ginger har utviklet» passivation » teknikker, behandling av perovskites med forskjellige kjemiske forbindelser for å helbrede disse feilene. Men når perovskite krystaller samles inn i solceller, kan de nåværende samlingselektroder skape ytterligere feil. I 2019 mottok Ginger og samarbeidspartnere Ved Georgia Tech finansiering fra USA Department Of Energys Solar Energy Technologies Office (SETO) for å utvikle nye passiveringsstrategier og nye ladningsinnsamlingsmaterialer, slik at perovskite solceller kan nå sitt fulle effektivitetspotensial, samtidig som de fortsatt er kompatible med lavkostproduksjon.

Kjemiprofessor Daniel Gamelin og hans gruppe tar sikte på å modifisere silisiumsolceller med perovskite belegg for å samle høy-energi fotoner av blått lys mer effektivt, omgå den teoretiske grensen på 33% konvertering for konvensjonelle silisiumceller. Gamelin og hans team har utviklet perovskite kvanteprikker-små partikler tusenvis av ganger mindre enn et menneskehår-som kan absorbere høy-energi fotoner og avgir dobbelt så mange lav-energi fotoner, en prosess som kalles » quantum cutting.»Hver foton absorbert av en solcelle genererer en elektron, slik at perovskite quantum dot-belegget kan dramatisk øke konverteringseffektiviteten.

Gamelin og hans team har dannet en spinoff selskap Kalt BlueDot Photonics å kommersialisere teknologien. Med finansiering fra SETO utvikler Gamelin og BlueDot deponeringsteknikker for å lage tynne filmer av perovskittmaterialer for store solceller og for å forbedre konvensjonelle silisiumsolceller.

Kjemisk ingeniør professor Hugh Hillhouse bruker maskinlæringsalgoritmer for å hjelpe forskning av perovskites. Ved hjelp av fotoluminescens fanget av høyhastighets video, Tester Hillhouse og hans gruppe en rekke hybrid perovskites for langsiktig stabilitet. Disse forsøkene genererer enorme datasett, men ved å bruke maskinlæring tar de sikte på å generere en prediktiv modell for nedbrytning for perovskite solceller. Denne modellen kan hjelpe dem med å optimalisere kjemisk sminke og struktur av en perovskite solcelle for langsiktig stabilitet-en viktig barriere for kommersialisering.

På Washington Clean Energy Testbeds, et åpent laboratorieanlegg som drives AV CEI, kan forskere og entreprenører utnytte toppmoderne utstyr for å utvikle, teste og skalere teknologier som perovskite solceller. Ved hjelp av roll to roll-skriveren på Testbeds, kan perovskite-blekk skrives ut ved lave temperaturer på fleksible underlag. Testbeds teknisk direktør J. Devin MacKenzie, professor i materialvitenskap & engineering and mechanical engineering VED UW, er ekspert på materialer og teknikker for høy gjennomstrømning og lav karbonavtrykk produksjon. EN av GRUPPENS mest aktive prosjekter, også finansiert AV SETO, utvikler in situ-instrumenter som kan måle veksten av perovskittkrystaller ettersom de raskt deponeres under roll-to-roll-utskrift. Med støtte Fra Joint Center FOR The Development AND Research Of Earth Abundant Materials (JCDREAM), Bruker Mackenzies gruppe også verdens høyeste oppløsningsskriver for å utvikle nye elektroder for å trekke elektrisk strøm ut av perovskite solceller uten å blokkere sollys fra å komme inn i cellen.