Zdroj: cei.washington.edu/
Co je to perovskit
Perovskit je materiál, který má stejnou krystalovou strukturu jako minerální oxid vápenatý a titaničitý, první objevený perovskitový krystal. Obecně mají perovskitové sloučeniny chemický vzorec ABX3, kde 'A' a 'B' představují kationty a X je anion, který se váže na oba. Velké množství různých prvků může být kombinováno dohromady za vzniku perovskitových struktur. Pomocí této kompoziční flexibility mohou vědci navrhnout krystaly perovskitu tak, aby měly širokou škálu fyzikálních, optických a elektrických charakteristik. Krystaly perovskitu se dnes nacházejí v ultrazvukových strojích, paměťových čipech a nyní – solárních článcích.
Schéma krystalové struktury perovskitu. (Wikimedia Commons)
Čisté energetické aplikace perovskitů
Všechny fotovoltaické solární články se spoléhají na polovodiče – materiály uprostřed mezi elektrickými izolátory, jako je sklo, a kovovými vodiči, jako je měď – k přeměně energie ze světla na elektřinu. Světlo ze slunce excituje elektrony v polovodičovém materiálu, které proudí do vodivých elektrod a produkují elektrický proud.
Křemík je primárním polovodičovým materiálem používaným v solárních článcích od 50. let 20. století, protože jeho polovodičové vlastnosti dobře odpovídají spektru slunečních paprsků a je relativně hojný a stabilní. Velké křemíkové krystaly používané v konvenčních solárních panelech však vyžadují drahý, vícestupňový výrobní proces, který využívá hodně energie. Při hledání alternativy vědci využili laditelnost perovskitů k vytvoření polovodičů s podobnými vlastnostmi jako křemík. Perovskitové solární články lze vyrábět pomocí jednoduchých technik aditivního nanášení, jako je tisk, za zlomek nákladů a energie. Vzhledem ke kompoziční flexibilitě perovskitů je lze také vyladit tak, aby ideálně odpovídaly slunečnímu spektru.
V roce 2012 vědci poprvé objevili, jak vyrobit stabilní tenkovrstvý perovskitový solární článek s účinností přeměny fotonu na elektron přes 10 %, za použití halogenidových perovskitů olovnatých jako vrstvy pohlcující světlo. Od té doby účinnost přeměny slunečního světla na elektrickou energii perovskitových solárních článků raketově vzrostla, přičemž laboratorní rekord činí 25,2 %. Výzkumníci také kombinují perovskitové solární články s konvenčními křemíkovými solárními články – rekordní účinnost těchto tandemových článků „perovskit na křemíku“ je v současnosti 29,1 % (překonání rekordu 27 % u konvenčních křemíkových článků) a rychle roste. S tímto rychlým nárůstem účinnosti článků se perovskitové solární články a perovskitové tandemové solární články mohou brzy stát levnými, vysoce účinnými alternativami ke konvenčním křemíkovým solárním článkům.
Průřez perovskitovým solárním článkem. (Institut čisté energie)
Jaké jsou některé současné cíle výzkumu?
Zatímco perovskitové solární články, včetně perovskitových na křemíkových tandemech, jsou komercializovány desítkami společností po celém světě, stále je třeba řešit základní vědecké a technické výzvy, které mohou zlepšit jejich výkon, spolehlivost a vyrobitelnost.
Někteří výzkumníci perovskitu nadále prosazují účinnost konverze charakterizací defektů perovskitu. Zatímco perovskitové polovodiče jsou pozoruhodně odolné vůči defektům, defekty stále – negativně ovlivňují výkon – zejména ty, které se vyskytují na povrchu aktivní vrstvy. Jiní výzkumníci zkoumají nové chemické formulace perovskitu, a to jak pro vyladění jejich elektronických vlastností pro specifické aplikace (jako jsou sady tandemových článků), nebo pro další zlepšení jejich stability a životnosti.
Výzkumníci také pracují na nových návrzích článků, nových strategiích zapouzdření k ochraně perovskitů před prostředím a na pochopení základních cest degradace, aby mohli použít studie zrychleného stárnutí k předpovědi, jak perovskitové solární články vydrží na střechách. Jiní rychle zkoumají různé výrobní procesy, včetně toho, jak přizpůsobit perovskitové „inkousty“ zavedeným metodám tisku ve velkém měřítku. A konečně, zatímco nejvýkonnější perovskity jsou dnes vyráběny s malým množstvím olova, výzkumníci také zkoumají alternativní složení a nové strategie zapouzdření, aby zmírnili obavy spojené s toxicitou olova.
Jak ČEI postupuje perovskity?
Krystaly perovskitu často vykazují defekty v atomárním měřítku, které mohou snížit účinnost sluneční přeměny. Hlavní vědecký pracovník CEI a profesor chemie David Ginger vyvinul „pasivační“ techniky, které léčí perovskity různými chemickými sloučeninami, aby se tyto defekty vyléčily. Ale když jsou krystaly perovskitu sestaveny do solárních článků, elektrody sbírající proud mohou vytvářet další defekty. V roce 2019 Ginger a spolupracovníci z Georgia Tech obdrželi finanční prostředky od úřadu pro solární energetické technologie (SETO) Ministerstva energetiky USA na vývoj nových pasivačních strategií a nových materiálů pro sběr náboje, což umožní perovskitovým solárním článkům dosáhnout plného potenciálu účinnosti a přitom zůstat kompatibilní. s nízkonákladovou výrobou.
Profesor chemie Daniel Gamelin a jeho skupina si kladou za cíl modifikovat křemíkové solární články pomocí perovskitových povlaků tak, aby efektivněji sbíraly vysokoenergetické fotony modrého světla a obešly tak teoretický limit 33% konverze pro konvenční křemíkové články. Gamelin a jeho tým vyvinuli perovskitové kvantové tečky – drobné částice tisíckrát menší než lidský vlas – které mohou absorbovat vysokoenergetické fotony a emitovat dvakrát tolik nízkoenergetických fotonů, což je proces nazývaný „kvantové řezání“. Každý foton absorbovaný solárním článkem generuje jeden elektron, takže povlak perovskitových kvantových teček by mohl dramaticky zvýšit účinnost konverze.
Gamelin a jeho tým vytvořili vedlejší společnost s názvem BlueDot Photonic za účelem komercializace této technologie. S financováním od SETO, Gamelin a BlueDot vyvíjejí depoziční techniky k vytvoření tenkých vrstev perovskitových materiálů pro velkoplošné solární články a pro vylepšení konvenčních křemíkových solárních článků.
Profesor chemického inženýrství Hugh Hillhouse používá algoritmy strojového učení k podpoře výzkumu perovskitů. Pomocí fotoluminiscence zachycené vysokorychlostním videem Hillhouse a jeho skupina testují řadu hybridních perovskitů pro dlouhodobou stabilitu. Tyto experimenty generují obrovské soubory dat, ale pomocí strojového učení mají za cíl vytvořit prediktivní model degradace pro perovskitové solární články. Tento model jim může pomoci optimalizovat chemické složení a strukturu perovskitového solárního článku pro dlouhodobou stabilitu – klíčovou překážku komercializace.
V theWashington Clean Energy Testbeds, otevřeném laboratorním zařízení provozovaném CEI, mohou výzkumníci a podnikatelé využívat nejmodernější vybavení k vývoji, testování a škálování technologií, jako jsou perovskitové solární články. Pomocí roll-to-roll tiskárny na Testbeds lze perovskitové inkousty tisknout při nízkých teplotách na flexibilní substráty. Technický ředitel TestbedsJ. Devin MacKenzie, profesor materiálové vědy& inženýrství a strojírenství ve společnosti UW je odborníkem na materiály a techniky pro vysoce výkonnou výrobu s nízkou uhlíkovou stopou. Jeden z nejaktivnějších projektů jeho skupiny, rovněž financovaný SETO, vyvíjí přístroje in situ, které dokážou měřit růst perovskitových krystalů, které se rychle ukládají během tisku z role na roli. S podporou Společného centra pro rozvoj a Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzieho skupina také používá tiskárnu s nejvyšším rozlišením na světě k vývoji nových elektrod, které vytahují elektrický proud z perovskitových solárních článků, aniž by bránily vstupu slunečního světla do článku.
Technický ředitel Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie předvádí vícestupňovou roll-to-roll tiskárnu Testbeds pro flexibilní elektroniku. (Institut čisté energie)
