perowskit Ogniwo słoneczne

co to jest perowskit?

perowskit jest materiałem, który ma taką samą strukturę krystaliczną jak mineralny tlenek tytanu wapnia, pierwszy odkryty kryształ perowskitu. Ogólnie rzecz biorąc, związki perowskitu mają wzór chemiczny ABX3, gdzie ” A ” i ” B ” oznaczają kationy, A X jest anionem, który wiąże się z obydwoma. Duża liczba różnych elementów może być łączona ze sobą, tworząc struktury perowskitowe. Wykorzystując tę elastyczność kompozycyjną, naukowcy mogą projektować kryształy perowskitu, aby miały szeroką gamę właściwości fizycznych, optycznych i elektrycznych. Kryształy perowskitu znajdują się dziś w maszynach ultradźwiękowych, układach pamięci, a teraz-ogniwach słonecznych.

Czysta energia zastosowania perowskitów

wszystkie fotowoltaiczne ogniwa słoneczne opierają się na półprzewodnikach-materiałach znajdujących się pośrodku między izolatorami elektrycznymi, takimi jak szkło i Przewodniki metalowe, takie jak miedź — aby zamienić energię ze światła w energię elektryczną. Światło słoneczne wzbudza elektrony w materiale półprzewodnikowym, które przepływają do przewodzących elektrod i wytwarzają prąd elektryczny.

krzem jest podstawowym materiałem półprzewodnikowym stosowanym w ogniwach słonecznych od lat 50., ponieważ jego właściwości półprzewodnikowe dobrze współgrają z widmem promieni słonecznych i są stosunkowo obfite i stabilne. Jednak duże kryształy krzemu stosowane w konwencjonalnych panelach słonecznych wymagają kosztownego, wieloetapowego procesu produkcyjnego, który wykorzystuje dużo energii. W poszukiwaniu alternatywy naukowcy wykorzystali przestrajalność perowskitów do tworzenia półprzewodników o właściwościach podobnych do krzemu. Perowskitowe ogniwa słoneczne mogą być wytwarzane przy użyciu prostych, addytywnych technik osadzania, takich jak drukowanie, za ułamek kosztów i energii. Ze względu na elastyczność kompozycyjną perowskitów, można je również dostroić tak, aby idealnie pasowały do widma słońca.

w 2012 r.naukowcy po raz pierwszy odkryli, jak stworzyć stabilne, cienkowarstwowe ogniwo słoneczne perowskitowe o wydajności konwersji fotonu na elektron powyżej 10%, wykorzystując perowskity z halogenku ołowiu jako warstwę pochłaniającą światło. Od tego czasu wydajność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną perowskitowych ogniw słonecznych gwałtownie wzrosła, a rekord laboratoryjny wyniósł 25,2%. Naukowcy łączą również perowskitowe ogniwa słoneczne z konwencjonalnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi – rekordowa wydajność dla tych tandemowych ogniw „perowskit na krzemie” wynosi obecnie 29,1% (przewyższając rekord 27% dla konwencjonalnych ogniw krzemowych) i gwałtownie rośnie. Z tym gwałtownym wzrostem wydajności ogniw, perowskitowe ogniwa słoneczne i perowskitowe tandemowe ogniwa słoneczne mogą wkrótce stać się tanimi, wysoce wydajnymi alternatywami dla konwencjonalnych krzemowych ogniw słonecznych.

jakie są obecne cele badawcze?

podczas gdy perowskitowe ogniwa słoneczne, w tym perowskit na tandemach krzemowych, są komercjalizowane przez dziesiątki firm na całym świecie, nadal istnieją podstawowe wyzwania naukowe i inżynieryjne, które mogą poprawić ich wydajność, niezawodność i produktywność.

niektórzy badacze perowskitu nadal zwiększają efektywność konwersji, charakteryzując defekty w perowskicie. Podczas gdy Półprzewodniki perowskitowe są wyjątkowo odporne na defekty, wady nadal negatywnie wpływają na wydajność-zwłaszcza te występujące na powierzchni warstwy aktywnej. Inni badacze badają nowe preparaty chemiczne perowskitu, zarówno w celu dostrojenia ich właściwości elektronicznych do konkretnych zastosowań (takich jak stosy komórek tandemowych), lub dalszej poprawy ich stabilności i żywotności.

naukowcy pracują również nad nowymi projektami komórek, nowymi strategiami hermetyzacji w celu ochrony perowskitów przed środowiskiem oraz zrozumienia podstawowych ścieżek degradacji, aby móc wykorzystać badania przyspieszonego starzenia się do przewidywania, jak perowskitowe ogniwa słoneczne przetrwają na dachach. Inni szybko badają różnorodne procesy produkcyjne, w tym sposób dostosowywania „farb” perowskitowych do ustalonych metod drukowania na dużą skalę. Wreszcie, podczas gdy najlepsze perowskity są obecnie wykonane z niewielką ilością ołowiu, naukowcy badają również alternatywne kompozycje i nowe strategie hermetyzacji, w celu złagodzenia obaw związanych z toksycznością ołowiu.

perovskite_video_script

hotplate_program diagram

jak cei rozwija perovskity?

kryształy perowskitu często wykazują defekty w skali atomowej, które mogą zmniejszyć efektywność konwersji słońca. Główny naukowiec CEI i profesor chemii David Ginger opracował techniki „pasywacji”, traktując perowskity różnymi związkami chemicznymi, aby leczyć te defekty. Ale gdy kryształy perowskitu są montowane w ogniwach słonecznych, elektrody zbierające prąd mogą powodować dodatkowe defekty. W 2019 r. Ginger i współpracownicy z Georgia Tech otrzymali finansowanie z USA. Departament Energii w biurze technologii energii słonecznej (SETO) w celu opracowania nowych strategii pasywacji i nowych materiałów do zbierania ładunku, umożliwiając perowskitowym ogniwom słonecznym osiągnięcie pełnego potencjału wydajności, a jednocześnie pozostając kompatybilnym z tanią produkcją.

profesor chemii Daniel Gamelin i jego grupa dążą do modyfikacji krzemowych ogniw słonecznych powłokami perowskitowymi w celu wydajniejszego zbierania wysokoenergetycznych fotonów niebieskiego światła, omijając teoretyczną granicę 33% konwersji dla konwencjonalnych ogniw krzemowych. Gamelin i jego zespół opracowali perowskitowe kropki kwantowe-maleńkie cząstki tysiące razy mniejsze niż ludzki włos — które mogą absorbować wysokoenergetyczne fotony i emitować dwa razy więcej niskoenergetycznych fotonów, proces zwany ” cięciem kwantowym.”Każdy Foton pochłonięty przez ogniwo słoneczne generuje jeden elektron, więc perowskitowa powłoka kwantowa może znacznie zwiększyć wydajność konwersji.

Gamelin i jego zespół założyli firmę spinoff o nazwie BlueDot Photonics w celu komercjalizacji technologii. Dzięki funduszom firmy SETO, Gamelin i BlueDot opracowują techniki osadzania w celu tworzenia cienkich warstw materiałów perowskitowych dla ogniw słonecznych o dużych powierzchniach i ulepszania konwencjonalnych krzemowych ogniw słonecznych.

profesor inżynierii chemicznej Hugh Hillhouse używa algorytmów uczenia maszynowego do wspomagania badań perowskitów. Wykorzystując fotoluminescencję zarejestrowaną przez szybkie wideo, Hillhouse i jego grupa testują różne hybrydowe perowskity pod kątem długoterminowej stabilności. Eksperymenty te generują ogromne zbiory danych, ale za pomocą uczenia maszynowego mają na celu wygenerowanie predykcyjnego modelu degradacji perowskitowych ogniw słonecznych. Model ten może pomóc im zoptymalizować skład chemiczny i strukturę perowskitowego ogniwa słonecznego w celu zapewnienia długoterminowej stabilności-kluczowej bariery dla komercjalizacji.

W Washington Clean Energy Testbeds, otwartym laboratorium dostępowym zarządzanym przez CEI, naukowcy i przedsiębiorcy mogą wykorzystywać najnowocześniejszy sprzęt do opracowywania, testowania i skalowania technologii, takich jak perowskitowe ogniwa słoneczne. Korzystając z drukarki rolkowej na stanowiskach testowych, atramenty perowskitowe można drukować w niskich temperaturach na elastycznych podłożach. Dyrektor techniczny Testbeds J. Devin MacKenzie, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej na UW, jest ekspertem w dziedzinie materiałów i technik produkcji o wysokiej przepustowości i niskiej emisji dwutlenku węgla. Jednym z najbardziej aktywnych projektów jego grupy, również finansowanym przez SETO, jest opracowanie instrumentów in situ, które mogą mierzyć wzrost kryształów perowskitu, ponieważ są one szybko odkładane podczas drukowania roll-to-roll. Dzięki wsparciu ze strony Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), Grupa MacKenzie wykorzystuje również drukarkę o najwyższej rozdzielczości na świecie do opracowania nowych elektrod do pobierania prądu elektrycznego z perowskitowych ogniw słonecznych bez blokowania światła słonecznego przed wejściem do komórki.