Kilde: cei.washington.edu/
Hvad er en perovskite
En perovskit er et materiale, der har samme krystalstruktur som mineralet calcium titanium oxid, den først opdagede perovskit krystal. Generelt har perovskitforbindelser en kemisk formel ABX3, hvor 'A' og 'B' repræsenterer kationer, og X er en anion, der binder til begge. Et stort antal forskellige elementer kan kombineres for at danne perovskitstrukturer. Ved at bruge denne sammensætningsfleksibilitet kan forskere designe perovskitkrystaller til at have en bred vifte af fysiske, optiske og elektriske egenskaber. Perovskit-krystaller findes i dag i ultralydsmaskiner, hukommelseschips og nu - solceller.
Et skematisk billede af en perovskitkrystalstruktur. (Wikimedia Commons)
Ren energianvendelse af perovskiter
Alle fotovoltaiske solceller er afhængige af halvledere - materialer i mellemgrunden mellem elektriske isolatorer som glas og metalliske ledere som kobber - for at omdanne energien fra lys til elektricitet. Lys fra solen exciterer elektroner i halvledermaterialet, som strømmer ind i ledende elektroder og producerer elektrisk strøm.
Silicium har været det primære halvledermateriale brugt i solceller siden 1950'erne, da dets halvledende egenskaber stemmer godt overens med spektret af solens stråler, og det er relativt rigeligt og stabilt. Men de store siliciumkrystaller, der bruges i konventionelle solpaneler, kræver en dyr, flertrins fremstillingsproces, der udnytter meget energi. I søgen efter et alternativ har videnskabsmænd udnyttet tunbarheden af perovskites til at skabe halvledere med egenskaber, der ligner silicium. Perovskite-solceller kan fremstilles ved hjælp af simple, additive deponeringsteknikker, såsom trykning, til en brøkdel af omkostningerne og energien. På grund af perovskitters kompositoriske fleksibilitet, kan de også indstilles til ideelt at matche solens spektrum.
I 2012 opdagede forskerne først, hvordan man laver en stabil, tyndfilm perovskit-solcelle med lysfoton-til-elektron-konverteringseffektiviteter på over 10 %, ved at bruge blyhalogenid-perovskiter som det lysabsorberende lag. Siden da er perovskit-solcellers konverteringseffektivitet fra sollys til elektrisk strøm steget i vejret, med laboratorierekorden på 25,2 %. Forskere kombinerer også perovskitsolceller med konventionelle siliciumsolceller - rekordeffektiviteter for disse "perovskite på silicium" tandemceller er i øjeblikket 29,1% (overgår rekorden på 27% for konventionelle siliciumceller) og stiger hurtigt. Med denne hurtige stigning i celleeffektivitet kan perovskit-solceller og perovskit-tandemsolceller snart blive billige, meget effektive alternativer til konventionelle siliciumsolceller.
Et tværsnit af en perovskit-solcelle. (Clean Energy Institute)
Hvad er nogle aktuelle forskningsmål?
Mens perovskit-solceller, herunder perovskit på silicium-tandemer, kommercialiseres af snesevis af virksomheder verden over, er der stadig grundlæggende videnskabelige og tekniske udfordringer at løse, som kan forbedre deres ydeevne, pålidelighed og fremstillingsevne.
Nogle perovskitforskere fortsætter med at skubbe til konverteringseffektivitet ved at karakterisere defekter i perovskitten. Mens perovskit-halvledere er bemærkelsesværdigt defekttolerante, påvirker defekter stadig -negativt ydeevnen - især dem, der forekommer på overfladen af det aktive lag. Andre forskere udforsker nye perovskit-kemiske formuleringer, både for at tune deres elektroniske egenskaber til specifikke applikationer (som tandemcellestakke) eller yderligere forbedre deres stabilitet og levetid.
Forskere arbejder også på nye celledesigns, nye indkapslingsstrategier for at beskytte perovskiter fra miljøet og for at forstå grundlæggende nedbrydningsveje, så de kan bruge accelererede ældningsundersøgelser til at forudsige, hvordan perovskitsolceller vil holde på hustage. Andre udforsker hurtigt en række forskellige fremstillingsprocesser, herunder hvordan man tilpasser perovskit "blæk" til etablerede udskrivningsmetoder i stor skala. Endelig, mens de bedst ydende perovskitter i dag fremstilles med en lille mængde bly, udforsker forskere også alternative sammensætninger og nye indkapslingsstrategier for at afbøde bekymringer forbundet med blytoksicitet.
Hvordan er CEI fremme perovskites?
Perovskitkrystaller udviser ofte atomare defekter, der kan reducere solkonverteringseffektiviteten. CEI-chefforsker og kemiprofessor David Ginger har udviklet "passiveringsteknikker", der behandler perovskitter med forskellige kemiske forbindelser for at helbrede disse defekter. Men når perovskitkrystaller samles til solceller, kan de strømopsamlende elektroder skabe yderligere defekter. I 2019 modtog Ginger og samarbejdspartnere hos Georgia Tech midler fra det amerikanske energiministeriums Solar Energy Technologies Office (SETO) til at udvikle nye passiveringsstrategier og nye ladningsopsamlende materialer, der tillader perovskit-solceller at nå deres fulde effektivitetspotentiale, mens de stadig forbliver kompatible med lavprisfremstilling.
Kemiprofessor Daniel Gamelin og hans gruppe sigter mod at modificere siliciumsolceller med perovskitbelægninger for at indsamle højenergifotoner af blåt lys mere effektivt og omgå den teoretiske grænse på 33 % konvertering for konventionelle siliciumceller. Gamelin og hans team har udviklet perovskit kvanteprikker - bittesmå partikler tusindvis af gange mindre end et menneskehår - der kan absorbere højenergifotoner og udsende dobbelt så mange lavenergifotoner, en proces kaldet "kvanteskæring." Hver foton, der absorberes af en solcelle, genererer én elektron, så perovskit-kvanteprikbelægningen kunne dramatisk øge konverteringseffektiviteten.
Gamelin og hans team har dannet et spinoff-selskab kaldet BlueDot Photonic for at kommercialisere teknologien. Med midler fra SETO udvikler Gamelin og BlueDot aflejringsteknikker til at skabe tynde film af perovskitmaterialer til store solceller og til at forbedre konventionelle siliciumsolceller.
Professor i kemiteknik, Hugh Hillhouse, bruger maskinlæringsalgoritmer til at hjælpe med forskning i perovskitter. Ved at bruge fotoluminescens optaget af højhastighedsvideo tester Hillhouse og hans gruppe en række hybride perovskiter for langsigtet stabilitet. Disse eksperimenter genererer enorme datasæt, men ved at bruge maskinlæring sigter de på at generere en forudsigelig model for nedbrydning for perovskit-solceller. Denne model kan hjælpe dem med at optimere den kemiske sammensætning og struktur af en perovskit-solcelle for langsigtet stabilitet - en vigtig barriere for kommercialisering.
På Washington Clean Energy Testbeds, et laboratorieanlæg med åben adgang, der drives af CEI, kan forskere og iværksættere bruge avanceret udstyr til at udvikle, teste og skalere teknologier som perovskit-solceller. Ved at bruge rulle-til-rulle-printeren ved Testbeds kan perovskit-blæk printes ved lave temperaturer på fleksible underlag. Testbeds teknisk direktør J. Devin MacKenzie, professor i materialevidenskab& ingeniør- og maskinteknik hos UW, er ekspert i materialer og teknikker til fremstilling med høj gennemstrømning og lavt CO2-fodaftryk. Et af hans gruppes mest aktive projekter, også finansieret af SETO, er at udvikle in situ-instrumenter, der kan måle væksten af perovskitkrystaller, efterhånden som de hurtigt aflejres under rulle-til-rulle-udskrivning. Med støtte fra Joint Center for the Development og Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzies gruppe bruger også verdens højeste opløsningsprinter til at udvikle nye elektroder til at trække elektrisk strøm ud af perovskit-solceller uden at blokere for sollys i at trænge ind i cellen.
Washington Clean Energy Testbeds teknisk direktør J. Devin MacKenzie demonstrerer Testbeds' multi-stage roll-to-roll printer til fleksibel elektronik. (Clean Energy Institute)
