Lähde: cei.washington.edu/
Mikä on perovskiitti
Perovskiitti on materiaali, jolla on sama kiderakenne kuin mineraalikalsiumtitaanioksidilla, joka on ensimmäinen löydetty perovskiittikide. Yleensä perovskiittiyhdisteillä on kemiallinen kaava ABX3, jossa 'A' ja 'B' edustavat kationeja ja X on anioni, joka sitoutuu molempiin. Suuri määrä erilaisia elementtejä voidaan yhdistää toisiinsa muodostamaan perovskiittirakenteita. Tämän koostumuksen joustavuuden avulla tutkijat voivat suunnitella perovskiittikiteitä, joilla on laaja valikoima fysikaalisia, optisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Perovskiittikiteitä löytyy nykyään ultraäänilaitteista, muistisiruista ja nykyään aurinkokennoista.
Kaavakuva perovskiitin kiderakenteesta. (Wikimedia Commons)
Perovskiittien puhtaan energian sovellukset
Kaikki aurinkokennot luottavat puolijohteisiin – materiaaleihin, jotka sijaitsevat sähköeristeiden, kuten lasin, ja metallijohtimien, kuten kuparin, välissä – muuttavat valoenergian sähköksi. Auringon valo kiihottaa puolijohdemateriaalissa olevia elektroneja, jotka virtaavat johtaviin elektrodeihin ja tuottavat sähkövirtaa.
Pii on ollut aurinkokennoissa käytetty ensisijainen puolijohdemateriaali 1950-luvulta lähtien, sillä sen puolijohdeominaisuudet ovat hyvin linjassa auringon säteiden spektrin kanssa ja se on suhteellisen runsas ja vakaa. Perinteisissä aurinkopaneeleissa käytetyt suuret piikiteet vaativat kuitenkin kalliin, monivaiheisen valmistusprosessin, joka kuluttaa paljon energiaa. Etsiessään vaihtoehtoa tutkijat ovat hyödyntäneet perovskiittien virittävyyttä luodakseen puolijohteita, joilla on samanlaiset ominaisuudet kuin piillä. Perovskite-aurinkokennoja voidaan valmistaa yksinkertaisilla, lisäainepinnoitustekniikoilla, kuten painatuksella, murto-osalla kustannuksista ja energiasta. Perovskiittien koostumuksen joustavuuden vuoksi ne voidaan myös virittää sopimaan ihanteellisesti auringon spektriin.
Vuonna 2012 tutkijat keksivät ensimmäisen kerran, kuinka tehdä vakaa, ohutkalvoperovskiittiaurinkokenno valon fotoni-elektronimuunnostehokkuudella yli 10 % käyttämällä lyijyhalogenidiperovskiitteja valoa absorboivana kerroksena. Sittemmin perovskiittisten aurinkokennojen auringonvalon sähköenergian muunnostehokkuus on noussut pilviin, ja laboratorion ennätys on 25,2 %. Tutkijat yhdistävät myös perovskiitista aurinkokennoja tavanomaisiin piiaurinkokennoihin – näiden "perovskiitti piin päälle" -tandemkennojen ennätystehokkuus on tällä hetkellä 29,1 % (ylittää tavanomaisten piikennojen ennätyksen 27 %) ja kasvaa nopeasti. Tämän kennotehokkuuden nopean nousun myötä perovskite-aurinkokennoista ja perovskiitista tandem-aurinkokennoista voi pian tulla halpoja, erittäin tehokkaita vaihtoehtoja perinteisille piiaurinkokennoille.
Poikkileikkaus perovskiittisesta aurinkokennosta. (Clean Energy Institute)
Mitkä ovat tämän hetken tutkimustavoitteet?
Vaikka kymmenet yritykset maailmanlaajuisesti kaupallistavat perovskiitti-aurinkokennoja, mukaan lukien perovskiitti piitandemissa, on edelleen ratkaistava tieteen ja tekniikan perushaasteita, jotka voivat parantaa niiden suorituskykyä, luotettavuutta ja valmistettavuutta.
Jotkut perovskiitin tutkijat jatkavat muunnostehokkuuden lisäämistä luonnehtimalla perovskiitin vikoja. Vaikka perovskiittiset puolijohteet ovat huomattavan vikoja sietäviä, viat vaikuttavat edelleen - negatiivisesti - suorituskykyyn - erityisesti ne, joita esiintyy aktiivisen kerroksen pinnalla. Muut tutkijat tutkivat uusia perovskiitin kemiallisia formulaatioita sekä säätääkseen niiden elektronisia ominaisuuksia tiettyjä sovelluksia varten (kuten tandemsolupinot) tai parantaakseen edelleen niiden vakautta ja käyttöikää.
Tutkijat työskentelevät myös uusien kennojen, uusien kapselointistrategioiden parissa suojellakseen perovskiitteja ympäristöltä ja ymmärtääkseen perushajoamisreittejä, jotta he voivat käyttää nopeutettuja ikääntymistutkimuksia ennustaakseen, kuinka perovskiittiaurinkokennot kestävät kattoilla. Toiset tutkivat nopeasti erilaisia valmistusprosesseja, mukaan lukien kuinka mukauttaa perovskiittisia "musteita" vakiintuneisiin laajamittaisiin ratkaisutulostusmenetelmiin. Lopuksi, vaikka tehokkaimmat perovskiitit valmistetaan nykyään pienestä määrästä lyijyä, tutkijat tutkivat myös vaihtoehtoisia koostumuksia ja uusia kapselointistrategioita lieventääkseen lyijyn myrkyllisyyteen liittyviä huolenaiheita.
Miten CEI edistää perovskiitteja?
Perovskiittikiteissä on usein atomimittakaavaisia vikoja, jotka voivat heikentää auringon muuntamisen tehokkuutta. CEI:n päätutkija ja kemian professori David Gingerhas kehitti passivointitekniikoita, jotka käsittelevät perovskiitteja erilaisilla kemiallisilla yhdisteillä näiden vikojen parantamiseksi. Mutta kun perovskiittikiteitä kootaan aurinkokennoiksi, virtaa keräävät elektrodit voivat luoda lisävikoja. Vuonna 2019 Ginger ja Georgia Techin yhteistyökumppanit saivat rahoitusta Yhdysvaltain energiaministeriön aurinkoenergiatekniikan toimistolta (SETO) kehittääkseen uusia passivointistrategioita ja uusia varauksenkeräysmateriaaleja, joiden avulla perovskiittiset aurinkokennot voivat saavuttaa täyden tehokkuuspotentiaalinsa ja silti olla yhteensopivia. edullisilla valmistuskustannuksilla.
Kemian professori Daniel Gamelin ja hänen ryhmänsä pyrkivät modifioimaan piitä aurinkokennoja perovskiittisilla pinnoitteilla keräämään tehokkaammin korkean energian sinisen valon fotoneja ohittaen tavanomaisten piikennojen teoreettisen 33 %:n konversiorajan. Gamelin ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet perovskiittisia kvanttipisteitä – pieniä hiukkasia, jotka ovat tuhansia kertoja pienempiä kuin ihmisen hiukset –, jotka voivat absorboida korkean energian fotoneja ja lähettää kaksi kertaa enemmän matalaenergiafotoneja. Tätä prosessia kutsutaan "kvanttileikkaukseksi". Jokainen aurinkokennon absorboima fotoni tuottaa yhden elektronin, joten perovskiitin kvanttipistepinnoite voi lisätä konversiotehokkuutta dramaattisesti.
Gamelin ja hänen tiiminsä ovat perustaneet spinoff-yhtiön nimeltä BlueDot Photonics kaupallistaakseen teknologiaa. SETO:n rahoituksella Gamelin ja BlueDot kehittävät pinnoitustekniikoita ohuiden perovskiittimateriaalien luomiseksi suuripintaisiin aurinkokennoihin ja tavanomaisten piiaurinkokennojen parantamiseen.
Kemiantekniikan professori Hugh Hillhouse käyttää koneoppimisalgoritmeja auttamaan perovskiittien tutkimusta. Hillhouse ja hänen ryhmänsä testaavat erilaisia hybridiperovskiitteja pitkän aikavälin stabiiliuden saavuttamiseksi käyttämällä nopealla videolla kaapattua fotoluminesenssia. Nämä kokeet tuottavat valtavia tietojoukkoja, mutta koneoppimisen avulla ne pyrkivät luomaan ennustavan mallin perovskiitin aurinkokennojen hajoamisesta. Tämä malli voi auttaa heitä optimoimaan perovskiittiaurinkokennon kemiallisen koostumuksen ja rakenteen pitkän aikavälin vakauden saavuttamiseksi, mikä on keskeinen kaupallistamisen este.
TheWashington Clean Energy Testbedsissä, CEI:n ylläpitämässä avoimessa laboratoriolaitoksessa, tutkijat ja yrittäjät voivat hyödyntää uusinta tekniikkaa kehittääkseen, testatakseen ja skaalatakseen teknologioita, kuten perovskiittiaurinkokennoja. Testbedissä rullalta rullalle -tulostinta käyttämällä perovskiittimusteita voidaan tulostaa alhaisissa lämpötiloissa joustaville alustoille. Testbedsin tekninen johtaja J. Devin MacKenzie, materiaalitieteen professori&vahvistin; UW:n insinööri- ja konetekniikka on korkean suorituskyvyn ja alhaisen hiilijalanjäljen valmistuksen materiaalien ja tekniikoiden asiantuntija. Yksi hänen ryhmänsä aktiivisimmista projekteista, jota myös SETO rahoittaa, kehittää in situ -instrumentteja, joilla voidaan mitata perovskiittikiteiden kasvua, kun niitä kertyy nopeasti rullalta rullalle -tulostuksen aikana. Yhteisen kehityskeskuksen tuella ja Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzien ryhmä käyttää myös maailman korkeimman resoluution tulostinta kehittääkseen uusia elektrodeja sähkövirran vetämiseksi pois perovskiittisista aurinkokennoista estämättä auringonvaloa pääsemästä kennoon.
Washington Clean Energy Testbedsin tekninen johtaja J. Devin MacKenzie esittelee Testbedsin monivaiheista rullasta rullalle -tulostinta joustavaan elektroniikkaan. (Clean Energy Institute)
