Sors: cei.washington.edu/
X'inhu perovskite
Perovskite huwa materjal li għandu l-istess struttura tal-kristall bħall-ossidu minerali tat-titanju tal-kalċju, l-ewwel kristall perovskite skopert. Ġeneralment, il-komposti tal-perovskite għandhom formula kimika ABX3, fejn 'A' u 'B' jirrappreżentaw katjoni u X huwa anjoni li jgħaqqad mat-tnejn. Numru kbir ta 'elementi differenti jistgħu jingħaqdu flimkien biex jiffurmaw strutturi perovskite. Bl-użu ta 'din il-flessibilità tal-kompożizzjoni, ix-xjenzati jistgħu jiddisinjaw kristalli perovskite biex ikollhom varjetà wiesgħa ta' karatteristiċi fiżiċi, ottiċi u elettriċi. Il-kristalli tal-Perovskite jinsabu llum f'magni tal-ultrasound, ċipep tal-memorja, u issa - ċelloli solari.
Skematika ta 'struttura tal-kristall perovskite. (Wikimedia Commons)
Applikazzjonijiet ta 'enerġija nadifa ta' perovskites
Iċ-ċelloli solari fotovoltajċi kollha jiddependu fuq semikondutturi - materjali fin-nofs bejn iżolaturi elettriċi bħal ħġieġ u kondutturi metalliċi bħar-ram - biex jibdlu l-enerġija mid-dawl f'elettriku. Dawl mix-xemx teċita l-elettroni fil-materjal semikonduttur, li jiċċirkola f'elettrodi konduttivi u jipproduċu kurrent elettriku.
Is-silikon ilu l-materjal semikonduttur primarju użat fiċ-ċelloli solari mill-1950, peress li l-proprjetajiet semikondutturi tiegħu jallinjaw tajjeb mal-ispettru tar-raġġi tax-xemx u huwa relattivament abbundanti u stabbli. Madankollu, il-kristalli kbar tas-silikon użati f'pannelli solari konvenzjonali jeħtieġu proċess ta 'manifattura għali u f'diversi stadji li jutilizza ħafna enerġija. Fit-tfittxija għal alternattiva, ix-xjentisti sfruttaw l-irregolarità tal-perovskites biex joħolqu semikondutturi bi proprjetajiet simili għas-silikon. Iċ-ċelloli solari perovskite jistgħu jiġu manifatturati bl-użu ta 'tekniki sempliċi ta' depożizzjoni addittiva, bħall-istampar, għal frazzjoni tal-ispiża u l-enerġija. Minħabba l-flessibilità tal-kompożizzjoni tal-perovskites, jistgħu wkoll jiġu sintonizzati biex jaqblu idealment mal-ispettru tax-xemx.
Fl-2012, ir-riċerkaturi skoprew l-ewwel darba kif jagħmlu ċellula solari perovskite ta 'film irqiq stabbli b'effiċjenzi ta' konverżjoni ta 'foton għal elettron ħafif ta' aktar minn 10%, bl-użu ta 'perovskites tal-alid taċ-ċomb bħala s-saff li jassorbi d-dawl. Minn dakinhar, l-effiċjenza tal-konverżjoni tad-dawl tax-xemx għal enerġija elettrika taċ-ċelloli solari perovskite żdiedet, bir-rekord tal-laboratorju joqgħod għal 25.2%. Ir-riċerkaturi qed jgħaqqdu wkoll ċelloli solari perovskite ma 'ċelloli solari tas-silikon konvenzjonali - l-effiċjenzi rekord għal dawn iċ-ċelloli tandem "perovskite fuq silikon" bħalissa huma 29.1% (jaqbeż ir-rekord ta' 27% għal ċelloli tas-silikon konvenzjonali) u qed jogħlew malajr. B'din iż-żieda mgħaġġla fl-effiċjenza taċ-ċelluli, ċelloli solari perovskite u ċelloli solari tandem perovskite jistgħu dalwaqt isiru alternattivi irħas u effiċjenti ħafna għaċ-ċelloli solari tas-silikon konvenzjonali.
Sezzjoni trasversali ta 'ċellula solari perovskite. (Istitut tal-Enerġija Nadifa)
X'inhuma xi għanijiet ta' riċerka attwali?
Filwaqt li ċ-ċelloli solari perovskite, inklużi perovskite fuq tandems tas-silikon, qed jiġu kummerċjalizzati minn għexieren ta 'kumpaniji madwar id-dinja, għad hemm sfidi bażiċi ta' xjenza u inġinerija biex jiġu indirizzati li jistgħu jtejbu l-prestazzjoni, l-affidabbiltà u l-manifattura tagħhom.
Xi riċerkaturi tal-perovskite jkomplu jimbuttaw l-effiċjenzi tal-konverżjoni billi jikkaratterizzaw id-difetti fil-perovskite. Filwaqt li s-semikondutturi tal-perovskite huma notevolment tolleranti għad-difetti, id-difetti għadhom jaffettwaw b'mod negattiv il-prestazzjoni - speċjalment dawk li jseħħu fil-wiċċ tas-saff attiv. Riċerkaturi oħra qed jesploraw formulazzjonijiet kimiċi tal-perovskite ġodda, kemm biex jirranġaw il-proprjetajiet elettroniċi tagħhom għal applikazzjonijiet speċifiċi (bħal munzelli ta 'ċelluli tandem), jew itejbu aktar l-istabbiltà u l-ħajja tagħhom.
Ir-riċerkaturi qed jaħdmu wkoll fuq disinji ġodda ta 'ċelluli, strateġiji ġodda ta' inkapsulament biex jipproteġu perovskites mill-ambjent, u biex jifhmu mogħdijiet bażiċi ta 'degradazzjoni sabiex ikunu jistgħu jużaw studji ta' tixjiħ aċċellerat biex ibassru kif iċ-ċelloli solari perovskite se jdumu fuq il-bjut. Oħrajn qed jesploraw malajr varjetà ta 'proċessi ta' manifattura, inkluż kif jadattaw "linka" perovskite għal metodi stabbiliti ta 'stampar ta' soluzzjoni fuq skala kbira. Fl-aħħarnett, filwaqt li l-perovskites bl-aħjar prestazzjoni llum huma magħmula b'ammont żgħir ta 'ċomb, ir-riċerkaturi qed jesploraw ukoll kompożizzjonijiet alternattivi u strateġiji ġodda ta' inkapsulament, sabiex itaffu t-tħassib assoċjat mat-tossiċità taċ-ċomb.
Kif qed tavvanza CEI perovskites?
Il-kristalli tal-Perovskite ħafna drabi juru difetti fuq skala atomika li jistgħu jnaqqsu l-effiċjenza tal-konverżjoni solari. Ix-Xjentist Ewlieni tas-CEI u l-professur tal-kimika David Ginger żviluppa tekniki ta '"passivazzjoni", li jittrattaw perovskites b'komposti kimiċi differenti biex tfejjaq dawn id-difetti. Iżda meta l-kristalli tal-perovskite jiġu mmuntati f'ċelloli solari, l-elettrodi li jiġbru l-kurrent jistgħu joħolqu difetti addizzjonali. Fl-2019, Ginger u l-kollaboraturi fil-Georgia Tech rċevew finanzjament mill-Uffiċċju tat-Teknoloġiji tal-Enerġija Solari (SETO) tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti biex jiżviluppaw strateġiji ġodda ta’ passivazzjoni u materjali ġodda ta’ ġbir ta’ ċarġ, li jippermettu li ċ-ċelloli solari perovskite jilħqu l-potenzjal sħiħ tal-effiċjenza tagħhom filwaqt li jibqgħu kompatibbli. b'manifattura bi prezz baxx.
Professur tal-kimikaDaniel Gamelinand il-grupp tiegħu jimmira li jimmodifika ċ-ċelloli solari tas-silikon b'kisi ta 'perovskite biex jiġbru fotoni ta' enerġija għolja ta 'dawl blu b'mod aktar effiċjenti, billi jinjora l-limitu teoretiku ta' konverżjoni ta '33% għal ċelloli tas-silikon konvenzjonali. Gamelin u t-tim tiegħu żviluppaw perovskite quantum dots — partiċelli ċkejkna eluf ta’ darbiet iżgħar minn xagħar uman — li jistgħu jassorbu fotoni ta’ enerġija għolja u jarmu d-doppju ta’ fotoni ta’ enerġija baxxa, proċess imsejjaħ “qtugħ kwantiku.” Kull foton assorbit minn ċellula solari jiġġenera elettron wieħed, għalhekk il-kisi tal-perovskite quantum dot jista 'jżid b'mod drammatiku l-effiċjenzi tal-konverżjoni.
Gamelin u t-tim tiegħu ffurmaw kumpanija spinoff imsejħa BlueDot Photonics biex jikkummerċjalizzaw it-teknoloġija. B'finanzjament minn SETO, Gamelin u BlueDot qed jiżviluppaw tekniki ta 'depożizzjoni biex joħolqu films irqaq ta' materjali perovskite għal ċelloli solari ta 'żona kbira u għat-titjib taċ-ċelloli solari tas-silikon konvenzjonali.
Il-professur tal-inġinerija kimika Hugh Hillhouse qed juża algoritmi ta’ tagħlim bil-magni biex jgħin fir-riċerka tal-perovskiti. Bl-użu ta 'fotoluminixxenza maqbuda minn vidjo b'veloċità għolja, Hillhouse u l-grupp tiegħu qed jittestjaw varjetà ta' perovskites ibridi għal stabbiltà fit-tul. Dawn l-esperimenti jiġġeneraw settijiet ta 'dejta enormi, iżda bl-użu ta' tagħlim tal-magni, għandhom l-għan li jiġġeneraw mudell ta 'tbassir ta' degradazzjoni għal ċelloli solari perovskite. Dan il-mudell jista 'jgħinhom jottimizzaw l-għamla kimika u l-istruttura ta' ċellula solari perovskite għal stabbiltà fit-tul - ostaklu ewlieni għall-kummerċjalizzazzjoni.
Fil-Washington Clean Energy Testbeds, faċilità tal-laboratorju b'aċċess miftuħ imħaddma minn CEI, ir-riċerkaturi u l-intraprendituri jistgħu jutilizzaw tagħmir ta 'l-aħħar teknoloġija biex jiżviluppaw, jittestjaw u jiskalaw teknoloġiji bħal ċelloli solari perovskite. Bl-użu tal-printer roll to roll fit-Testbeds, linka perovskite tista 'tiġi stampata f'temperaturi baxxi fuq substrati flessibbli. Direttur tekniku tal-bankijiet tat-testJ. Devin MacKenzie, professur tax-xjenza tal-materjali& inġinerija u inġinerija mekkanika fl-UW, huwa espert fuq materjali u tekniki għall-manifattura b'rendiment għoli u karbonju baxx. Wieħed mill-proġetti l-aktar attivi tal-grupp tiegħu, iffinanzjat ukoll minn SETO, qed jiżviluppa strumenti in situ li jistgħu jkejlu t-tkabbir tal-kristalli tal-perovskite peress li qed jiġu depożitati malajr waqt l-istampar roll-to-roll.B'appoġġ miċ-Ċentru Konġunt għall-Iżvilupp u Riċerka ta 'Materjali Abbundanti tad-Dinja (JCDREAM), il-grupp ta' MacKenzie qed juża wkoll l-ogħla printer ta 'riżoluzzjoni tad-dinja biex jiżviluppa elettrodi ġodda biex jiġbdu l-kurrent elettriku minn ċelloli solari perovskite mingħajr ma jimblokka d-dawl tax-xemx milli jidħol fiċ-ċellula.
Washington Clean Energy Testbeds Direttur Tekniku J. Devin MacKenzie juri l-istampatur roll-to-roll f'diversi stadji tat-Testbeds għal elettronika flessibbli. (Istitut tal-Enerġija Nadifa)
