Източник: cei.washington.edu/
Какво е перовскит
Перовскитът е материал, който има същата кристална структура като минерала калциев титанов оксид, първият открит кристал на перовскит. Обикновено перовскитните съединения имат химична формула ABX3, където 'A' и 'B' представляват катиони и X е анион, който се свързва и с двете. Голям брой различни елементи могат да бъдат комбинирани заедно, за да образуват перовскитни структури. Използвайки тази композиционна гъвкавост, учените могат да проектират перовскитни кристали, за да имат голямо разнообразие от физически, оптични и електрически характеристики. Перовскитните кристали се срещат днес в ултразвукови машини, чипове с памет, а сега – слънчеви клетки.
Схема на кристална структура на перовскит. (Wikimedia Commons)
Приложения за чиста енергия от перовскити
Всички фотоволтаични слънчеви клетки разчитат на полупроводници - материали в средата между електрически изолатори като стъкло и метални проводници като мед - за да превърнат енергията от светлина в електричество. Светлината от слънцето възбужда електрони в полупроводниковия материал, които се вливат в проводящи електроди и произвеждат електрически ток.
Силицият е основният полупроводников материал, използван в слънчевите клетки от 50-те години на миналия век, тъй като неговите полупроводникови свойства са в съответствие със спектъра на слънчевите лъчи и е относително изобилен и стабилен. Въпреки това, големите силициеви кристали, използвани в конвенционалните слънчеви панели, изискват скъп, многоетапен производствен процес, който използва много енергия. В търсене на алтернатива, учените са използвали регулируемостта на перовскитите, за да създадат полупроводници с подобни свойства на силиция. Перовскитните слънчеви клетки могат да бъдат произведени с помощта на прости техники за адитивно отлагане, като печат, за част от разходите и енергията. Поради композиционната гъвкавост на перовскитите, те също могат да бъдат настроени така, че да съответстват идеално на слънчевия спектър.
През 2012 г. изследователите за първи път откриха как да направят стабилна, тънкослойна перовскитна слънчева клетка с ефективност на преобразуване на светлинен фотон в електрон над 10%, използвайки оловен халогенид перовскити като светопоглъщащ слой. Оттогава ефективността на преобразуване на слънчева светлина в електрическа мощност на перовскитните слънчеви клетки е нараснала до небето, като лабораторният рекорд възлиза на 25,2%. Изследователите също така комбинират перовскитни слънчеви клетки с конвенционални силициеви слънчеви клетки – рекордната ефективност за тези тандемни клетки „перовскит върху силиций“ в момента е 29,1% (надминава рекорда от 27% за конвенционалните силициеви клетки) и бързо нараства. С този бърз скок в ефективността на клетките, перовскитните слънчеви клетки и перовскитните тандемни слънчеви клетки скоро могат да станат евтини, високоефективни алтернативи на конвенционалните силициеви слънчеви клетки.
Напречно сечение на перовскитна слънчева клетка. (Институт за чиста енергия)
Какви са някои текущи изследователски цели?
Докато перовскитни слънчеви клетки, включително перовскит върху силициеви тандеми, се комерсиализират от десетки компании по целия свят, все още има основни научни и инженерни предизвикателства, които трябва да се справят, които могат да подобрят тяхната производителност, надеждност и технологичност.
Някои изследователи на перовскит продължават да насърчават ефективността на преобразуването, като характеризират дефектите в перовскита. Докато перовскитните полупроводници са забележително толерантни към дефекти, дефектите все още влияят негативно на производителността - особено тези, които се появяват на повърхността на активния слой. Други изследователи проучват нови химически състави на перовскит, както за настройване на техните електронни свойства за специфични приложения (като стекове на тандемни клетки), така и за допълнително подобряване на тяхната стабилност и живот.
Изследователите също така работят върху нови дизайни на клетки, нови стратегии за капсулиране за защита на перовскитите от околната среда и за разбиране на основните пътища на разграждане, за да могат да използват проучвания за ускорено стареене, за да предскажат как перовскитните слънчеви клетки ще издържат на покривите. Други бързо проучват различни производствени процеси, включително как да адаптират перовскитните „мастила“ към установените широкомащабни методи за печат. И накрая, докато най-добре работещите перовскити днес се произвеждат с малко количество олово, изследователите също проучват алтернативни състави и нови стратегии за капсулиране, за да смекчат опасенията, свързани с оловната токсичност.
Как CEI развива перовскитите?
Перовскитните кристали често показват дефекти в атомен мащаб, които могат да намалят ефективността на слънчевото преобразуване. Главният учен на CEI и професор по химия Дейвид Джинджър е разработил техники за "пасивация", третирайки перовскитите с различни химически съединения, за да лекува тези дефекти. Но когато перовскитните кристали се сглобяват в слънчеви клетки, токосъбиращите електроди могат да създадат допълнителни дефекти. През 2019 г. Джинджър и сътрудниците в Georgia Tech получиха финансиране от Службата за технологии за слънчева енергия (SETO) на Министерството на енергетиката на САЩ за разработване на нови стратегии за пасивиране и нови материали за събиране на заряд, позволяващи на перовскитните слънчеви клетки да достигнат пълния си потенциал за ефективност, като същевременно остават съвместими с евтино производство.
Професорът по химия Даниел Гамелина и неговата група имат за цел да модифицират силициеви слънчеви клетки с перовскитни покрития, за да събират по-ефективно високоенергийни фотони на синя светлина, заобикаляйки теоретичната граница от 33% преобразуване за конвенционалните силициеви клетки. Гамелин и неговият екип са разработили перовскитни квантови точки - малки частици хиляди пъти по-малки от човешка коса - които могат да абсорбират високоенергийни фотони и да излъчват два пъти повече нискоенергийни фотони, процес, наречен "квантово рязане". Всеки фотон, погълнат от слънчева клетка, генерира един електрон, така че перовскитното покритие с квантова точка може драстично да увеличи ефективността на преобразуване.
Гамлин и неговият екип създадоха спиноф компания, наречена BlueDot Photonics, за да комерсиализират технологията. С финансиране от SETO, Gamelin и BlueDot разработват техники за отлагане за създаване на тънки филми от перовскитни материали за слънчеви клетки с голяма площ и за подобряване на конвенционалните силициеви слънчеви клетки.
Професорът по химическо инженерство Хю Хилхаус използва алгоритми за машинно обучение, за да подпомогне изследването на перовскити. Използвайки фотолуминесценция, заснета от високоскоростно видео, Хилхаус и неговата група тестват различни хибридни перовскити за дългосрочна стабилност. Тези експерименти генерират огромни набори от данни, но чрез използване на машинно обучение те имат за цел да генерират прогнозен модел на деградация за перовскитни слънчеви клетки. Този модел може да им помогне да оптимизират химическия състав и структурата на перовскитната слънчева клетка за дългосрочна стабилност - ключова бариера пред комерсиализацията.
Във Washington Clean Energy Testbeds, лабораторно съоръжение с отворен достъп, управлявано от CEI, изследователи и предприемачи могат да използват най-съвременно оборудване за разработване, тестване и мащабиране на технологии като перовскитни слънчеви клетки. С помощта на ролков принтер в тестовите стендове, перовскитните мастила могат да бъдат отпечатани при ниски температури върху гъвкави субстрати. Технически директор на изпитателните стендове Дж. Девин Макензи, професор по материалознание& инженеринг и машинно инженерство в UW, е експерт по материали и техники за производство с висока производителност и нисък въглероден отпечатък. Един от най-активните проекти на неговата група, също финансиран от SETO, разработва in situ инструменти, които могат да измерват растежа на перовскитните кристали, тъй като те бързо се отлагат по време на печат от ролка до ролка. С подкрепата на Съвместния център за развитие и Изследване на изобилните от Земята материали (JCDREAM), групата на Макензи също използва принтер с най-висока разделителна способност в света, за да разработи нови електроди за изтегляне на електрически ток от перовскитни слънчеви клетки, без да блокира слънчевата светлина да навлиза в клетката.
Техническият директор на Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie, който демонстрира многоетапен принтер roll-to-roll на Testbeds за гъвкава електроника. (Институт за чиста енергия)
