perovskiet Solar Cell

Wat is een perovskiet?

een perovskiet is een materiaal met dezelfde kristalstructuur als het mineraal calcium titaanoxide, het eerst ontdekte perovskietkristal. Over het algemeen hebben perovskietverbindingen een chemische formule ABX3, waar ‘A’ en ‘B’ kationen vertegenwoordigen en X een anion is dat aan beide bindt. Een groot aantal verschillende elementen kunnen worden gecombineerd om perovskiet structuren te vormen. Met behulp van deze samenstellingsflexibiliteit kunnen wetenschappers perovskietkristallen ontwerpen om een breed scala aan fysieke, optische en elektrische kenmerken te hebben. Perovskiet kristallen worden vandaag gevonden in echografie machines, geheugenchips, en nu – zonnecellen.

schone energie toepassingen van perovskieten

alle fotovoltaïsche zonnecellen zijn afhankelijk van halfgeleiders — materialen in het midden tussen elektrische isolatoren zoals glas en metalen geleiders zoals koper — om de energie van licht om te zetten in elektriciteit. Licht van de zon prikkelt elektronen in het halfgeleidermateriaal, die in geleidende elektroden stromen en elektrische stroom produceren.

silicium is het primaire halfgeleidermateriaal dat in zonnecellen wordt gebruikt sinds de jaren 1950, omdat de halfgeleidereigenschappen goed overeenkomen met het spectrum van de zonnestralen en het relatief overvloedig en stabiel is. Echter, de grote silicium kristallen gebruikt in conventionele zonnepanelen vereisen een dure, multi-stap productieproces dat veel energie gebruikt. In de zoektocht naar een alternatief hebben wetenschappers de afstembaarheid van perovskieten benut om halfgeleiders te maken met vergelijkbare eigenschappen als silicium. Perovskiet zonnecellen kunnen worden vervaardigd met behulp van eenvoudige, additieve depositie technieken, zoals printen, voor een fractie van de kosten en energie. Door de compositorische flexibiliteit van perovskieten kunnen ze ook worden afgestemd op het spectrum van de zon.

in 2012 ontdekten onderzoekers voor het eerst hoe een stabiele, dunnefilm-perovskietzonnecel met een omzettingsefficiëntie van meer dan 10% van het licht foton-naar-elektron kan worden gemaakt, waarbij loodhalideperovskieten als lichtabsorberende laag worden gebruikt. Sindsdien is de omzettingsefficiëntie van zonnecellen van perovskiet enorm gestegen, met een laboratoriumrecord van 25,2%. Onderzoekers combineren ook perovskiet zonnecellen met conventionele silicium zonnecellen – record efficiëntie voor deze “perovskiet op silicium” tandemcellen zijn momenteel 29,1% (overtreft het record van 27% voor conventionele silicium cellen) en stijgt snel. Met deze snelle stijging in celefficiëntie, perovskiet zonnecellen en perovskiet tandem zonnecellen kunnen binnenkort goedkope, zeer efficiënte alternatieven voor conventionele silicium zonnecellen.

Wat zijn enkele huidige onderzoeksdoelstellingen?Hoewel perovskietzonnecellen, waaronder perovskiet op silicium tandems, wereldwijd door tientallen bedrijven worden gecommercialiseerd, zijn er nog steeds fundamentele wetenschappelijke en technische uitdagingen die hun prestaties, betrouwbaarheid en maakbaarheid kunnen verbeteren.

sommige perovskietonderzoekers blijven omzettingsefficiëntie bevorderen door defecten in het perovskiet te karakteriseren. Hoewel perovskiet halfgeleiders Opmerkelijk defecttolerant zijn, hebben defecten nog steeds een negatief effect op de prestaties, vooral die aan het oppervlak van de actieve laag. Andere onderzoekers onderzoeken nieuwe chemische perovskietformuleringen, zowel om hun elektronische eigenschappen af te stemmen op specifieke toepassingen (zoals tandemcelstapels), of om hun stabiliteit en levensduur verder te verbeteren.

onderzoekers werken ook aan nieuwe celontwerpen, nieuwe inkapselingsstrategieën om perovskieten te beschermen tegen het milieu, en om fundamentele afbraakroutes te begrijpen, zodat ze versnelde verouderingsstudies kunnen gebruiken om te voorspellen hoe perovskietzonnecellen het op daken zullen volhouden. Anderen onderzoeken snel een verscheidenheid aan productieprocessen, waaronder hoe perovskiet “inkten” aan te passen aan gevestigde grootschalige printmethoden voor oplossingen. Tot slot, terwijl de best presterende perovskieten vandaag worden gemaakt met een kleine hoeveelheid lood, onderzoeken onderzoekers ook alternatieve samenstellingen en nieuwe inkapselingsstrategieën, om zorgen in verband met loodtoxiciteit te verminderen.

perovskite_video_script

hotplate_programma diagram

hoe vordert het CEI perovskieten?

Perovskietkristallen vertonen vaak atomaire defecten die de efficiëntie van de omzetting van zonne-energie kunnen verminderen. CEI Chief Scientist en chemistry professor David Ginger heeft “passivering” technieken ontwikkeld, het behandelen van perovskieten met verschillende chemische verbindingen om deze defecten te genezen. Maar wanneer perovskiet kristallen worden geassembleerd in zonnecellen, kunnen de stroomverzamelende elektroden extra defecten creëren. In 2019 ontvingen Ginger en medewerkers van Georgia Tech financiering uit de VS. Department of Energy ‘ s Solar Energy Technologies Office (SETO) om nieuwe passiverings strategieën en nieuwe lading verzamelen materialen te ontwikkelen, waardoor perovskiet zonnecellen om hun volledige efficiëntie potentieel te bereiken, terwijl nog steeds compatibel met low-cost productie.Professor Daniel Gamelin en zijn groep willen silicium zonnecellen aanpassen met perovskietcoatings om hoog-energetische fotonen van blauw licht efficiënter te verzamelen, waarbij de theoretische limiet van 33% conversie voor conventionele silicium cellen wordt omzeild. Gamelin en zijn team hebben perovskiet quantum dots ontwikkeld-kleine deeltjes die duizenden malen kleiner zijn dan een menselijk haar — die hoog-energetische fotonen kunnen absorberen en twee keer zoveel lage-energetische fotonen kunnen uitzenden, een proces dat “quantumsnijden” wordt genoemd.”Elk foton geabsorbeerd door een zonnecel genereert een elektron, dus de perovskiet quantum dot coating kan drastisch verhogen conversie-efficiëntie.Gamelin en zijn team hebben een spin-off bedrijf genaamd BlueDot Photonics opgericht om de technologie te commercialiseren. Met financiering van SETO ontwikkelen Gamelin en BlueDot depositietechnieken om dunne films van perovskietmaterialen te maken voor grote zonnecellen en voor het verbeteren van conventionele silicium zonnecellen.Professor Hugh Hillhouse gebruikt algoritmen voor machine learning om het onderzoek van perovskieten te ondersteunen. Met behulp van fotoluminescentie vastgelegd door high-speed video, Hillhouse en zijn groep testen een verscheidenheid van hybride perovskieten voor stabiliteit op lange termijn. Deze experimenten genereren enorme datasets, maar door gebruik te maken van machine learning, willen ze een voorspellend model van degradatie voor perovskiet zonnecellen genereren. Dit model kan hen helpen de chemische samenstelling en structuur van een perovskiet zonnecel te optimaliseren voor stabiliteit op lange termijn-een belangrijke barrière voor commercialisering.

in de Washington Clean Energy Testbeds, een open-access labfaciliteit die wordt beheerd door het CEI, kunnen onderzoekers en ondernemers gebruik maken van state-of-the-art apparatuur om technologieën zoals perovskietzonnecellen te ontwikkelen, te testen en op te schalen. Met de roll-to-roll-printer op de Testbedden kunnen perovskietinkten bij lage temperaturen op flexibele ondergronden worden afgedrukt. Testbeds technisch directeur J. Devin MacKenzie, hoogleraar materiaalkunde & engineering and mechanical engineering aan UW, is een expert op het gebied van materialen en technieken voor productie met een hoge doorvoer en een lage CO2-voetafdruk. Een van de meest actieve projecten van zijn groep, ook gefinancierd door SETO, is het ontwikkelen van in situ instrumenten die de groei van perovskiet kristallen kunnen meten als ze snel worden afgezet tijdens roll-to-roll printen. Met steun van het Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), gebruikt MacKenzie ’s groep ook’ s werelds hoogste resolutie printer om nieuwe elektroden te ontwikkelen om elektrische stroom uit perovskiet zonnecellen te trekken zonder zonlicht te blokkeren.