Perovskite Solar Cell

ce este un perovskite?

un perovskit este un material care are aceeași structură cristalină ca oxidul mineral de titan de calciu, primul cristal perovskit descoperit. În general, compușii perovskit au o formulă chimică ABX3, unde’ A ‘și’ B ‘ reprezintă cationi și X este un anion care se leagă de ambele. Un număr mare de elemente diferite pot fi combinate împreună pentru a forma structuri perovskite. Folosind această flexibilitate compozițională, oamenii de știință pot proiecta cristale de perovskit pentru a avea o mare varietate de caracteristici fizice, optice și electrice. Cristalele Perovskite se găsesc astăzi în mașini cu ultrasunete, cipuri de memorie și acum – celule solare.

aplicații de energie curată ale perovskiților

toate celulele solare fotovoltaice se bazează pe semiconductori — materiale aflate în mijlocul izolatorilor electrici, cum ar fi sticla și conductorii metalici, cum ar fi cuprul — pentru a transforma energia din lumină în electricitate. Lumina de la soare excită electronii din materialul semiconductor, care curg în electrozi conductori și produc curent electric.

siliciul a fost materialul semiconductor primar utilizat în celulele solare încă din anii 1950, deoarece proprietățile sale semiconductoare se aliniază bine cu spectrul razelor solare și este relativ abundent și stabil. Cu toate acestea, cristalele mari de siliciu utilizate în panourile solare convenționale necesită un proces de fabricație scump, în mai multe etape, care utilizează multă energie. În căutarea unei alternative, oamenii de știință au valorificat tunabilitatea perovskitelor pentru a crea semiconductori cu proprietăți similare cu siliciul. Celulele solare Perovskite pot fi fabricate folosind tehnici simple de depunere aditivă, cum ar fi imprimarea, pentru o fracțiune din cost și energie. Datorită flexibilității compoziționale a perovskitelor, ele pot fi, de asemenea, reglate pentru a se potrivi în mod ideal spectrului soarelui.

în 2012, cercetătorii au descoperit pentru prima dată cum să realizeze o celulă solară perovskită stabilă, cu film subțire, cu eficiență de conversie foton-electron de lumină de peste 10%, folosind perovskite cu halogenură de plumb ca strat absorbant de lumină. De atunci, eficiența de conversie a energiei solare la energia electrică a celulelor solare perovskite a crescut foarte mult, recordul de laborator fiind de 25,2%. Cercetătorii Combină, de asemenea, celulele solare perovskite cu celulele solare convenționale de siliciu – eficiența record pentru aceste celule tandem „perovskite pe siliciu” este în prezent de 29,1% (depășind recordul de 27% pentru celulele convenționale de siliciu) și crește rapid. Cu această creștere rapidă a eficienței celulare, celulele solare perovskite și celulele solare Tandem perovskite pot deveni în curând alternative ieftine și extrem de eficiente la celulele solare convenționale din siliciu.

care sunt unele obiective actuale de cercetare?

în timp ce celulele solare perovskite, inclusiv perovskitul pe tandemurile de siliciu, sunt comercializate de zeci de companii din întreaga lume, există încă provocări științifice și inginerești de bază care le pot îmbunătăți performanța, fiabilitatea și manufacturabilitatea.

unii cercetători perovskiți continuă să împingă eficiența conversiei prin caracterizarea defectelor din perovskit. În timp ce semiconductorii perovskiți sunt remarcabil de toleranți la defecte, defectele încă afectează negativ performanța-în special cele care apar la suprafața stratului activ. Alți cercetători explorează noi formulări chimice perovskite, atât pentru a-și regla proprietățile electronice pentru aplicații specifice (cum ar fi stivele de celule tandem), fie pentru a-și îmbunătăți în continuare stabilitatea și durata de viață.

cercetătorii lucrează, de asemenea, la noi modele de celule, noi strategii de încapsulare pentru a proteja perovskiții de mediu și pentru a înțelege căile de degradare de bază, astfel încât să poată utiliza studii de îmbătrânire accelerată pentru a prezice modul în care celulele solare perovskite vor rezista pe acoperișuri. Alții explorează rapid o varietate de procese de fabricație, inclusiv modul de adaptare a „cernelurilor” perovskite la metodele de imprimare pe scară largă. În cele din urmă, în timp ce cele mai performante perovskite sunt realizate astăzi cu o cantitate mică de plumb, cercetătorii explorează, de asemenea, compoziții alternative și noi strategii de încapsulare, pentru a atenua preocupările asociate cu toxicitatea plumbului.

perovskite_video_script

diagrama hotplate_program

cum avansează CEI perovskites?

cristalele de perovskit prezintă adesea defecte la scară atomică care pot reduce eficiența conversiei solare. Om de știință șef CEI și profesor de chimie David Ginger a dezvoltat tehnici de „pasivare”, tratând perovskiții cu diferiți compuși chimici pentru a vindeca aceste defecte. Dar când cristalele de perovskit sunt asamblate în celule solare, electrozii de colectare a curentului pot crea defecte suplimentare. În 2019, Ginger și colaboratorii de la Georgia Tech au primit finanțare din partea SUA. Departamentul de energie Solar Energy Technologies Office (SETO) pentru a dezvolta noi strategii de pasivare și noi materiale de colectare a taxelor, permițând celulelor solare perovskite să-și atingă potențialul maxim de eficiență, rămânând în același timp compatibile cu producția low-cost.

profesorul de Chimie Daniel Gamelin și grupul său își propun să modifice celulele solare de siliciu cu acoperiri perovskite pentru a colecta fotoni de lumină albastră de mare energie mai eficient, ocolind limita teoretică de conversie de 33% pentru celulele convenționale de siliciu. Gamelin și echipa sa au dezvoltat puncte cuantice perovskite — particule minuscule de mii de ori mai mici decât un fir de păr uman — care pot absorbi fotoni cu energie ridicată și pot emite de două ori mai mulți fotoni cu energie redusă, un proces numit „tăiere cuantică”.”Fiecare foton absorbit de o celulă solară generează un electron, astfel încât acoperirea cu puncte cuantice perovskite ar putea crește dramatic eficiența conversiei.

Gamelin și echipa sa au format o companie spinoff numită BlueDot Photonics pentru a comercializa tehnologia. Cu finanțare de la SETO, Gamelin și BlueDot dezvoltă tehnici de depunere pentru a crea filme subțiri de materiale perovskite pentru celulele solare cu suprafață mare și pentru îmbunătățirea celulelor solare convenționale din siliciu.

profesorul de Inginerie Chimică Hugh Hillhouse folosește algoritmi de învățare automată pentru a ajuta cercetarea perovskiților. Folosind fotoluminiscența capturată de videoclipuri de mare viteză, Hillhouse și grupul său testează o varietate de perovskite hibride pentru stabilitate pe termen lung. Aceste experimente generează seturi enorme de date, dar prin utilizarea învățării automate, acestea urmăresc să genereze un model predictiv de degradare pentru celulele solare perovskite. Acest model îi poate ajuta să optimizeze structura chimică și structura unei celule solare perovskite pentru stabilitate pe termen lung — o barieră cheie în calea comercializării.

la Washington Clean Energy Testbeds, o instalație de laborator cu acces deschis operată de CEI, cercetătorii și antreprenorii pot utiliza echipamente de ultimă generație pentru a dezvolta, testa și scala tehnologii precum celulele solare perovskite. Folosind imprimanta roll to roll la paturile de testare, cernelurile perovskite pot fi tipărite la temperaturi scăzute pe substraturi flexibile. Directorul tehnic al Testbeds J. Devin MacKenzie, profesor de știința materialelor & inginerie și inginerie mecanică la UW, este expert în materiale și tehnici pentru producția de înaltă capacitate și cu amprentă redusă de carbon. Unul dintre cele mai active proiecte ale grupului său, finanțat și de SETO, dezvoltă instrumente in situ care pot măsura creșterea cristalelor de perovskit, deoarece acestea sunt depozitate rapid în timpul imprimării roll-to-roll. Cu sprijinul Centrului Comun pentru dezvoltarea și cercetarea materialelor abundente ale Pământului (JCDREAM), grupul lui MacKenzie folosește, de asemenea, imprimanta cu cea mai mare rezoluție din lume pentru a dezvolta noi electrozi pentru a scoate curentul electric din celulele solare perovskite fără a bloca pătrunderea luminii solare în celulă.