perovskite Solar Cell

Vad är en perovskite?

en perovskit är ett material som har samma kristallstruktur som mineralet kalciumtitanoxid, den först upptäckta perovskitkristallen. I allmänhet har perovskitföreningar en kemisk formel ABX3, där ’ A ’och’ B ’ representerar katjoner och X är en anjon som binder till båda. Ett stort antal olika element kan kombineras för att bilda perovskitstrukturer. Med hjälp av denna kompositionsflexibilitet kan forskare designa perovskitkristaller för att ha en mängd olika fysiska, optiska och elektriska egenskaper. Perovskitkristaller finns idag i ultraljudsmaskiner, minneskretsar och nu – solceller.

rena energitillämpningar av perovskiter

alla fotovoltaiska solceller är beroende av halvledare — material i mitten mellan elektriska isolatorer som glas och metallledare som koppar — för att förvandla energin från ljus till El. Ljus från solen exciterar elektroner i halvledarmaterialet, som strömmar in i ledande elektroder och producerar elektrisk ström.

kisel har varit det primära halvledarmaterialet som används i solceller sedan 1950-talet, eftersom dess halvledande egenskaper stämmer väl överens med solens strålar och det är relativt rikligt och stabilt. De stora kiselkristallerna som används i konventionella solpaneler kräver emellertid en dyr tillverkningsprocess i flera steg som utnyttjar mycket energi. I sökandet efter ett alternativ har forskare utnyttjat perovskites tunerbarhet för att skapa halvledare med liknande egenskaper som kisel. Perovskite solceller kan tillverkas med hjälp av enkla additiva deponeringstekniker, som tryckning, för en bråkdel av kostnaden och energin. På grund av perovskites kompositionsflexibilitet kan de också ställas in för att idealiskt matcha solens spektrum.

i 2012 upptäckte forskare först hur man gör en stabil, tunnfilmsperovskitsolcell med ljusfoton-till-elektronomvandlingseffektivitet över 10%, med användning av blyhalogenidperovskiter som det ljusabsorberande skiktet. Sedan dess har perovskits solcellers solljus-till-elektrisk-effekt-omvandlingseffektivitet skjutit i höjden, med laboratorieposten på 25,2%. Forskare kombinerar också perovskitsolceller med konventionella kiselsolceller – rekordeffektivitet för dessa ”perovskit på kisel” tandemceller är för närvarande 29.1% (överträffar rekordet på 27% för konventionella kiselceller) och stiger snabbt. Med denna snabba ökning av celleffektiviteten kan perovskit solceller och perovskit tandem solceller snart bli billiga, mycket effektiva alternativ till konventionella kiselsolceller.

vilka är några aktuella forskningsmål?

medan perovskit solceller, inklusive perovskit på kiseltandems, kommersialiseras av dussintals företag över hela världen, finns det fortfarande grundläggande vetenskapliga och tekniska utmaningar att ta itu med som kan förbättra deras prestanda, tillförlitlighet och tillverkningsförmåga.

vissa perovskitforskare fortsätter att driva omvandlingseffektivitet genom att karakterisera defekter i perovskiten. Medan perovskithalvledare är anmärkningsvärt defekttoleranta, påverkar defekter fortfarande –negativt prestanda — särskilt de som förekommer vid ytan av det aktiva skiktet. Andra forskare utforskar nya perovskite kemiska formuleringar, både för att ställa in sina elektroniska egenskaper för specifika applikationer (som tandemcellstackar) eller ytterligare förbättra deras stabilitet och livslängd.

forskare arbetar också med nya celldesigner, nya inkapslingsstrategier för att skydda perovskiter från miljön och för att förstå grundläggande nedbrytningsvägar så att de kan använda accelererade åldringsstudier för att förutsäga hur perovskitsolceller kommer att hålla på hustak. Andra utforskar snabbt en mängd olika tillverkningsprocesser, inklusive hur man anpassar perovskite ”bläck” till etablerade storskaliga lösningsutskriftsmetoder. Slutligen, medan de bäst presterande perovskiterna idag tillverkas med en liten mängd bly, undersöker forskare också alternativa kompositioner och nya inkapslingsstrategier för att mildra oro i samband med blytoxicitet.

perovskite_video_script

hotplate_programdiagram

hur går CEI fram perovskites?

Perovskitkristaller uppvisar ofta defekter i atomskala som kan minska solomvandlingseffektiviteten. CEI chefforskare och kemiprofessor David Ginger har utvecklat” passivation ” – tekniker, som behandlar perovskiter med olika kemiska föreningar för att läka dessa defekter. Men när perovskitkristaller monteras i solceller kan de strömsamlande elektroderna skapa ytterligare defekter. Under 2019 fick Ginger och medarbetare på Georgia Tech finansiering från USA. Institutionen för energi Solar Energy Technologies Office (SETO) för att utveckla nya passiveringsstrategier och nya laddningsuppsamlingsmaterial, vilket gör det möjligt för perovskite solceller att nå sin fulla effektivitetspotential samtidigt som de fortfarande är kompatibla med lågkostnadstillverkning.

kemiprofessor Daniel Gamelin och hans grupp syftar till att modifiera kiselsolceller med perovskitbeläggningar för att samla högenergifotoner av blått ljus mer effektivt och kringgå den teoretiska gränsen för 33% omvandling för konventionella kiselceller. Gamelin och hans team har utvecklat perovskite kvantprickar-små partiklar tusentals gånger mindre än ett människohår — som kan absorbera högenergifotoner och avge dubbelt så många lågenergifotoner, en process som kallas ”kvantskärning.”Varje foton som absorberas av en solcell genererar en elektron, så perovskite quantum dot-beläggningen kan dramatiskt öka omvandlingseffektiviteten.

Gamelin och hans team har bildat ett spinoff-företag som heter BlueDot Photonics för att kommersialisera tekniken. Med finansiering från SETO utvecklar Gamelin och BlueDot deponeringstekniker för att skapa tunna filmer av perovskitmaterial för stora solceller och för att förbättra konventionella kiselsolceller.

Kemiteknikprofessor Hugh Hillhouse använder maskininlärningsalgoritmer för att hjälpa forskning av perovskiter. Med hjälp av fotoluminescens fångad av höghastighetsvideo testar Hillhouse och hans grupp en mängd hybridperovskiter för långsiktig stabilitet. Dessa experiment genererar enorma datamängder, men genom att använda maskininlärning syftar de till att generera en prediktiv nedbrytningsmodell för perovskitsolceller. Denna modell kan hjälpa dem att optimera den kemiska sammansättningen och strukturen hos en perovskitsolcell för långsiktig stabilitet-ett viktigt hinder för kommersialisering.

vid Washington Clean Energy Testbeds, en öppen åtkomstlabbanläggning som drivs av CEI, kan forskare och entreprenörer använda toppmodern utrustning för att utveckla, testa och skala teknik som perovskite solceller. Med hjälp av roll to roll-skrivaren vid testbäddarna kan perovskitbläck skrivas ut vid låga temperaturer på flexibla substrat. Testbeds technical director J. Devin MacKenzie, professor i materialvetenskap & engineering and mechanical engineering vid UW, är expert på material och tekniker för tillverkning med hög genomströmning och lågt koldioxidavtryck. Ett av hans grupps mest aktiva projekt, som också finansieras av SETO, utvecklar in situ-instrument som kan mäta tillväxten av perovskitkristaller eftersom de snabbt deponeras under rullning till rullning. Med stöd från Joint Center for Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM) använder Mackenzies grupp också världens högsta upplösningsskrivare för att utveckla nya elektroder för att dra elektrisk ström ur perovskitsolceller utan att blockera solljus från att komma in i cellen.