Zdroj:news.mit.edu
Perovskity slibují vytvoření solárních panelů, které by bylo možné snadno uložit na většinu povrchů, včetně pružných a strukturovaných. Tyto materiály by byly také lehké, levné na výrobu a stejně účinné jako dnešní přední fotovoltaické materiály, kterými jsou především křemík. Jsou předmětem rostoucího výzkumu a investic, ale společnosti, které chtějí využít svůj potenciál, musí vyřešit některé zbývající překážky, než budou solární články na bázi perovskitu komerčně konkurenceschopné.
Termín perovskit neodkazuje na konkrétní materiál, jako je křemík nebo telurid kadmia, další přední uchazeči ve fotovoltaické oblasti, ale na celou rodinu sloučenin. Rodina perovskitových solárních materiálů je pojmenována pro svou strukturní podobnost s minerálem zvaným perovskit, který byl objeven v roce 1839 a pojmenován po ruském mineralogovi LA Perovskim.
Původní minerál perovskit, kterým je oxid vápenatý a titaničitý (CaTiO3), má výraznou krystalickou konfiguraci. Má třídílnou strukturu, jejíž složky byly označeny A, B a X, ve které jsou mřížky různých složek provázány. Rodina perovskitů se skládá z mnoha možných kombinací prvků nebo molekul, které mohou obsadit každou ze tří složek a vytvořit strukturu podobnou struktuře samotného původního perovskitu. (Někteří badatelé dokonce trochu ohýbají pravidla tím, že pojmenovávají jiné krystalové struktury s podobnými prvky „perovskity“, ačkoli to krystalografové odsuzují.)
"Můžete míchat a spojovat atomy a molekuly do struktury s určitými limity. Pokud se například pokusíte do struktury nacpat molekulu, která je příliš velká, pokřivíte ji. Nakonec můžete způsobit, že se 3D krystal rozdělí na 2D vrstvenou strukturu nebo úplně ztratit uspořádanou strukturu,“ říká Tonio Buonassisi, profesor strojního inženýrství na MIT a ředitel Photovoltaics Research Laboratory. "Perovskity jsou vysoce laditelné, jako typ krystalové struktury sestavení vlastního dobrodružství," říká.
Tato struktura prokládaných mřížek se skládá z iontů nebo nabitých molekul, z nichž dva (A a B) jsou nabité kladně a druhá (X) záporně. Ionty A a B mají obvykle zcela odlišné velikosti, přičemž ionty A jsou větší.
V rámci celkové kategorie perovskitů existuje řada typů, včetně perovskitů na bázi oxidů kovů, které našly uplatnění při katalýze a při skladování a přeměně energie, jako jsou palivové články a baterie typu kov-vzduch. Podle Buonassisiho se však hlavní výzkumná činnost po více než deset let soustředila na halogenidové perovskity olova.
V rámci této kategorie stále existuje celá řada možností a laboratoře po celém světě se předhánějí ve zdlouhavé práci s hledáním variant, které vykazují nejlepší výkon z hlediska účinnosti, nákladů a životnosti – což bylo dosud nejnáročnější. ze tří.
Mnoho týmů se také zaměřilo na varianty, které eliminují použití olova, aby se zabránilo jeho dopadu na životní prostředí. Buonassisi však poznamenává, že "konzistentně v průběhu času se zařízení na bázi olova stále zlepšují ve svém výkonu a žádná z ostatních skladeb se nepřiblížila z hlediska elektronického výkonu." Práce pokračují ve zkoumání alternativ, ale prozatím žádná nemůže konkurovat verzím halogenidu olova.
Jednou z velkých výhod, které perovskity nabízejí, je jejich velká tolerance defektů ve struktuře, říká. Na rozdíl od křemíku, který vyžaduje extrémně vysokou čistotu, aby dobře fungoval v elektronických zařízeních, mohou perovskity dobře fungovat i s četnými nedokonalostmi a nečistotami.
Hledání slibných nových kandidátských kompozic pro perovskity je trochu jako hledání jehly v kupce sena, ale nedávno vědci přišli se systémem strojového učení, který může tento proces výrazně zefektivnit. Tento nový přístup by mohl vést k mnohem rychlejšímu vývoji nových alternativ, říká Buonassisi, který byl spoluautorem tohoto výzkumu.
Zatímco perovskity jsou stále velmi slibné a několik společností se již připravuje na zahájení komerční výroby, největší překážkou, které čelí, zůstává trvanlivost. Zatímco křemíkové solární panely si po 25 letech udrží až 90 procent svého výkonu, perovskity degradují mnohem rychleji. Bylo dosaženo velkého pokroku — počáteční vzorky vydržely jen několik hodin, pak týdnů nebo měsíců, ale novější formulace mají životnost až několik let, což je vhodné pro některé aplikace, kde není zásadní životnost.
Z hlediska výzkumu, říká Buonassisi, jednou z výhod perovskitů je to, že se dají relativně snadno vyrobit v laboratoři – chemické složky se snadno skládají. Ale to je také jejich nevýhoda: "Materiál jde k sobě velmi snadno při pokojové teplotě," říká, "ale také se velmi snadno rozpadá při pokojové teplotě. Easy come, easy go!"
K řešení tohoto problému se většina výzkumníků zaměřuje na použití různých druhů ochranných materiálů k zapouzdření perovskitu, které jej chrání před vystavením vzduchu a vlhkosti. Jiní však studují přesné mechanismy, které vedou k této degradaci, v naději, že najdou formulace nebo léčby, které jsou ve své podstatě robustnější. Klíčovým zjištěním je, že za poruchu může z velké části proces zvaný autokatalýza.
Při autokatalýze, jakmile jedna část materiálu začne degradovat, jeho reakční produkty fungují jako katalyzátory, které začnou degradovat sousední části struktury, a rozběhne se nekontrolovaná reakce. Podobný problém existoval v raném výzkumu některých dalších elektronických materiálů, jako jsou organické světlo-emitující diody (OLED), a nakonec byl vyřešen přidáním dalších purifikačních kroků k surovinám, takže podobné řešení lze nalézt v případě perovskity, navrhuje Buonassisi.
Buonassisi a jeho spoluřešitelé nedávno dokončili studii, která prokázala, že jakmile perovskity dosáhnou použitelné životnosti alespoň deset let, a to díky jejich mnohem nižším počátečním nákladům, které by stačily k tomu, aby byly ekonomicky životaschopné jako náhražka křemíku ve velkém, solární farmy.
Celkově byl pokrok ve vývoji perovskitů působivý a povzbudivý, říká. S pouhými několika lety práce již dosáhl účinnosti srovnatelné s úrovněmi, kterých se stále snaží dosáhnout telurid kadmia (CdTe), „který existuje mnohem déle,“ říká. "Snadnost, s jakou je v tomto novém materiálu dosaženo těchto vyšších výkonů, je téměř ohromující." Při porovnání množství času vynaloženého na výzkum k dosažení 1% zlepšení efektivity, říká, pokrok u perovskitů byl někde mezi 100 a 1,000krát rychlejší než u CdTe. "To je jeden z důvodů, proč je to tak vzrušující," říká.
