Perovskite solcelle

Hvad er en perovskite?

en perovskit er et materiale, der har den samme krystalstruktur som mineralet calcium titanoksid, den først opdagede perovskit krystal. Perovskitforbindelser har en kemisk formel ABKS3, hvor ‘A’ og ‘ B ‘ repræsenterer kationer og er en anion, der binder til begge. Et stort antal forskellige elementer kan kombineres sammen for at danne perovskite strukturer. Ved hjælp af denne kompositionsfleksibilitet kan forskere designe perovskite-krystaller til at have en lang række fysiske, optiske og elektriske egenskaber. Perovskite krystaller findes i dag i ultralyd maskiner, hukommelseschips, og nu – solceller.

ren energi applikationer af perovskites

alle solceller er afhængige af halvledere — materialer i mellemgrunden mellem elektriske isolatorer som glas og metalliske ledere som kobber — for at gøre energien fra lys til elektricitet. Lys fra solen spænder elektroner i halvledermaterialet, som strømmer ind i ledende elektroder og producerer elektrisk strøm.

silicium har været det primære halvledermateriale, der blev brugt i solceller siden 1950 ‘ erne, da dets halvledende egenskaber stemmer Godt overens med spektret af solens stråler, og det er relativt rigeligt og stabilt. Imidlertid kræver de store siliciumkrystaller, der anvendes i konventionelle solpaneler, en dyr, flertrins fremstillingsproces, der bruger meget energi. I søgen efter et alternativ har forskere udnyttet perovskites indstillelighed til at skabe halvledere med lignende egenskaber som silicium. Perovskite solceller kan fremstilles ved hjælp af enkle, additive aflejringsteknikker, som udskrivning, for en brøkdel af omkostningerne og energien. På grund af perovskites kompositionsfleksibilitet kan de også indstilles til ideelt at matche solens spektrum.

i 2012 opdagede forskere først, hvordan man laver en stabil, tyndfilm perovskit solcelle med lette foton-til-Elektron konverteringseffektiviteter over 10% ved hjælp af blyhalogenidperovskitter som det lysabsorberende lag. Siden da er perovskite solcellers solcellers konverteringseffektivitet fra sollys til elektrisk strøm steget kraftigt, hvor laboratorieregistret står på 25,2%. Forskere kombinerer også perovskite solceller med konventionelle silicium solceller – rekordeffektiviteter for disse “perovskite på silicium” tandemceller er i øjeblikket 29,1% (overgår rekorden på 27% for konventionelle siliciumceller) og stiger hurtigt. Med denne hurtige stigning i celleeffektivitet kan perovskite solceller og perovskite tandem solceller snart blive billige, meget effektive alternativer til konventionelle silicium solceller.

Hvad er nogle aktuelle forskningsmål?

mens perovskite-solceller, inklusive perovskite på siliciumtandemer, kommercialiseres af snesevis af virksomheder over hele verden, er der stadig grundlæggende videnskabelige og tekniske udfordringer at tackle, der kan forbedre deres ydeevne, pålidelighed og fremstillbarhed.

nogle perovskite-forskere fortsætter med at skubbe konverteringseffektiviteter ved at karakterisere mangler i perovskite. Mens perovskite halvledere er bemærkelsesværdigt defekttolerante, påvirker defekter stadig negativt ydeevnen-især dem, der forekommer på overfladen af det aktive lag. Andre forskere udforsker nye perovskite kemiske formuleringer, både for at indstille deres elektroniske egenskaber til specifikke applikationer (som tandem celle stakke) eller yderligere forbedre deres stabilitet og levetid.

forskere arbejder også på nye celledesign, nye indkapslingsstrategier for at beskytte perovskitter mod miljøet og for at forstå grundlæggende nedbrydningsveje, så de kan bruge accelererede aldringsundersøgelser til at forudsige, hvordan perovskite solceller vil vare på hustage. Andre udforsker hurtigt en række forskellige fremstillingsprocesser, herunder hvordan man tilpasser perovskite “blæk” til etablerede store løsningsprintmetoder. Langt om længe, mens de bedst præsterende perovskitter i dag er lavet med en lille mængde bly, forskere undersøger også alternative kompositioner og nye indkapslingsstrategier for at afbøde bekymringer forbundet med blytoksicitet.

perovskite_video_script

hotplate_program diagram

hvordan fremmer cei perovskites?

Perovskite krystaller udviser ofte atomskala defekter, der kan reducere solkonverteringseffektiviteten. Cei-chefforsker og kemiprofessor David Ginger har udviklet” passivation ” – teknikker, der behandler perovskitter med forskellige kemiske forbindelser for at helbrede disse defekter. Men når perovskite-krystaller samles i solceller, kan de strømopsamlende elektroder skabe yderligere defekter. I 2019 modtog Ginger og samarbejdspartnere hos Georgia Tech finansiering fra USA. Department of Energy ‘ s Solar Energy Technologies Office (SETO) til at udvikle nye passiveringsstrategier og nye opladningsmaterialer, der gør det muligt for perovskite solceller at nå deres fulde effektivitetspotentiale, mens de stadig er kompatible med billig produktion.

kemiprofessor Daniel Gamelin og hans gruppe sigter mod at modificere siliciumsolceller med perovskite-belægninger for at indsamle højenergifotoner af blåt lys mere effektivt og omgå den teoretiske grænse på 33% konvertering for konventionelle siliciumceller. Gamelin og hans team har udviklet perovskite kvantepunkter — små partikler tusinder af gange mindre end et menneskehår — der kan absorbere fotoner med høj energi og udsende dobbelt så mange fotoner med lav energi, en proces kaldet “kvanteskæring.”Hver foton, der absorberes af en solcelle, genererer en elektron, så perovskite-kvantepunktbelægningen kan dramatisk øge konverteringseffektiviteten.

Gamelin og hans team har dannet et spinoff-firma kaldet BlueDot Photonics for at kommercialisere teknologien. Med finansiering fra SETO Udvikler Gamelin og BlueDot aflejringsteknikker til at skabe tynde film af perovskite-materialer til solceller i stort område og til forbedring af konventionelle siliciumsolceller.

Kemiteknik professor Hugh Hillhouse bruger machine learning algoritmer til at støtte forskning af perovskites. Ved hjælp af fotoluminescens fanget af højhastighedsvideo tester Hillhouse og hans gruppe en række hybridperovskitter for langsigtet stabilitet. Disse eksperimenter genererer enorme datasæt, men ved hjælp af maskinindlæring sigter de mod at generere en forudsigelig model for nedbrydning for perovskite solceller. Denne model kan hjælpe dem med at optimere den kemiske sammensætning og struktur af en perovskit solcelle for langsigtet stabilitet-en nøglebarriere for kommercialisering.

på Clean Energy Testbeds, en åben adgang lab facilitet drives af CEI, forskere og iværksættere kan udnytte state-of-the-art udstyr til at udvikle, teste og skalere teknologier som perovskite solceller. Ved hjælp af roll to roll-printeren ved Testsengene kan perovskite-blæk udskrives ved lave temperaturer på fleksible underlag. Testbeds teknisk direktør J. Devin, professor i materialevidenskab & engineering and mechanical engineering, er ekspert i materialer og teknikker til fremstilling af høj kapacitet og lavt kulstofaftryk. Et af hans gruppes mest aktive projekter, også finansieret af SETO, Udvikler In situ-instrumenter, der kan måle væksten af perovskite-krystaller, da de hurtigt deponeres under rulle-til-rulle-udskrivning. Med støtte fra Joint Center for udvikling og forskning af Earth Abundant Materials (JCDREAM) bruger Jcdream også verdens højeste opløsningsprinter til at udvikle nye elektroder til at trække elektrisk strøm ud af perovskite solceller uden at blokere sollys fra at komme ind i cellen.