Источник: cei.washington.edu/
Что такое перовскит
Перовскит - это материал, который имеет ту же кристаллическую структуру, что и минеральный оксид кальция-титана, первый открытый кристалл перовскита. Обычно соединения перовскита имеют химическую формулу ABX3, где «A» и «B» представляют собой катионы, а X - анион, который связывается с обоими. Большое количество различных элементов можно комбинировать вместе для образования перовскитных структур. Используя эту композиционную гибкость, ученые могут создавать кристаллы перовскита с широким спектром физических, оптических и электрических характеристик. Кристаллы перовскита сегодня находят в ультразвуковых аппаратах, микросхемах памяти, а теперь и в солнечных батареях.
Схема кристаллической структуры перовскита. (Викискладе)
Применение перовскитов в чистой энергии
Все фотоэлектрические солнечные элементы полагаются на полупроводники - материалы, занимающие промежуточное положение между электрическими изоляторами, такими как стекло, и металлическими проводниками, такими как медь, - для превращения энергии света в электричество. Свет от солнца возбуждает электроны в полупроводниковом материале, которые втекают в проводящие электроды и производят электрический ток.
Кремний был основным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах с 1950-х годов, так как его полупроводниковые свойства хорошо согласуются со спектром солнечных лучей, и он относительно многочислен и стабилен. Однако большие кристаллы кремния, используемые в обычных солнечных батареях, требуют дорогостоящего многоступенчатого производственного процесса, который требует большого количества энергии. В поисках альтернативы ученые использовали возможность настройки перовскитов для создания полупроводников со свойствами, аналогичными кремнию. Перовскитные солнечные элементы могут быть изготовлены с использованием простых методов аддитивного осаждения, таких как печать, за небольшую часть стоимости и энергии. Благодаря гибкости состава перовскитов, их также можно настроить так, чтобы они идеально соответствовали солнечному спектру.
В 2012 году исследователи впервые обнаружили, как создать стабильный тонкопленочный перовскитовый солнечный элемент с эффективностью преобразования фотонов в электроны более 10%, используя перовскиты галогенида свинца в качестве светопоглощающего слоя. С тех пор эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергию перовскитных солнечных элементов резко возросла: лабораторный рекорд составил 25,2%. Исследователи также комбинируют перовскитные солнечные элементы с обычными кремниевыми солнечными элементами - рекордная эффективность этих тандемных элементов «перовскит на кремнии» в настоящее время составляет 29,1% (что превышает рекордные 27% для обычных кремниевых элементов) и быстро растет. С таким быстрым ростом эффективности элементов перовскитные солнечные элементы и тандемные перовскитные солнечные элементы могут вскоре стать дешевыми и высокоэффективными альтернативами обычным кремниевым солнечным элементам.
Поперечное сечение перовскитового солнечного элемента. (Институт чистой энергии)
Каковы текущие цели исследования?
Хотя перовскитные солнечные элементы, включая перовскит на кремниевых тандемах, коммерциализируют десятки компаний по всему миру, все еще существуют фундаментальные научные и инженерные задачи, которые необходимо решить, которые могут улучшить их производительность, надежность и технологичность.
Некоторые исследователи перовскита продолжают повышать эффективность преобразования, определяя дефекты в перовските. Хотя полупроводники из перовскита в высшей степени устойчивы к дефектам, дефекты все же отрицательно влияют на характеристики, особенно те, которые возникают на поверхности активного слоя. Другие исследователи изучают новые химические составы перовскита, как для настройки их электронных свойств для конкретных приложений (например, тандемные стеки ячеек), так и для дальнейшего повышения их стабильности и срока службы.
Исследователи также работают над новыми конструкциями элементов, новыми стратегиями инкапсуляции для защиты перовскитов от окружающей среды и над пониманием основных путей деградации, чтобы они могли использовать исследования ускоренного старения, чтобы предсказать, как солнечные элементы из перовскита будут работать на крышах домов. Другие быстро изучают различные производственные процессы, в том числе способы адаптации перовскитных «чернил» к общепринятым методам крупномасштабной печати. Наконец, хотя сегодня наиболее эффективные перовскиты производятся с использованием небольшого количества свинца, исследователи также изучают альтернативные композиции и новые стратегии инкапсуляции, чтобы уменьшить опасения, связанные с токсичностью свинца.
Как CEI продвигает перовскиты?
Кристаллы перовскита часто имеют дефекты атомного масштаба, которые могут снизить эффективность преобразования солнечной энергии. Главный научный сотрудник CEI и профессор химии Дэвид Джинджер разработал методы «пассивации», обрабатывая перовскиты различными химическими соединениями для устранения этих дефектов. Но когда кристаллы перовскита собираются в солнечные элементы, токосъемные электроды могут создавать дополнительные дефекты. В 2019 году Джинджер и его сотрудники из Georgia Tech получили финансирование от Управления технологий солнечной энергии (SETO) Министерства энергетики США для разработки новых стратегий пассивации и новых материалов для сбора заряда, позволяющих перовскитным солнечным элементам полностью раскрыть свой потенциал эффективности, оставаясь при этом совместимыми. при невысокой стоимости изготовления.
Профессор химии Дэниел Гамелен и его группа стремятся модифицировать кремниевые солнечные элементы с перовскитным покрытием для более эффективного сбора высокоэнергетических фотонов синего света, минуя теоретический предел преобразования в 33% для обычных кремниевых элементов. Гамлен и его команда разработали перовскитные квантовые точки - крошечные частицы, в тысячи раз меньшие, чем человеческий волос, - которые могут поглощать фотоны высокой энергии и излучать в два раза больше фотонов низкой энергии. Этот процесс называется «квантовой резкой». Каждый фотон, поглощаемый солнечным элементом, генерирует один электрон, поэтому покрытие из перовскитных квантовых точек может значительно повысить эффективность преобразования.
Гамлен и его команда создали дочернюю компанию BlueDot Photonic для коммерциализации технологии. При финансовой поддержке SETO, Gamelin и BlueDot разрабатывают методы осаждения для создания тонких пленок перовскитных материалов для солнечных элементов большой площади и для улучшения обычных кремниевых солнечных элементов.
Профессор химической инженерии Хью Хиллхаус использует алгоритмы машинного обучения для исследования перовскитов. Используя фотолюминесценцию, захваченную высокоскоростным видео, Хиллхаус и его группа тестируют различные гибридные перовскиты на долгосрочную стабильность. Эти эксперименты генерируют огромные наборы данных, но с помощью машинного обучения они нацелены на создание прогнозной модели деградации перовскитных солнечных элементов. Эта модель может помочь им оптимизировать химический состав и структуру перовскитного солнечного элемента для обеспечения долговременной стабильности - ключевого препятствия для коммерциализации.
На испытательных стендах Вашингтонской экологически чистой энергии, лаборатории открытого доступа, управляемой CEI, исследователи и предприниматели могут использовать современное оборудование для разработки, тестирования и масштабирования таких технологий, как перовскитные солнечные элементы. Используя рулонный принтер на испытательных стендах, перовскитные чернила можно печатать при низких температурах на гибких подложках. Технический директор испытательных стендов Дж. Девин Маккензи, профессор материаловедения& инжиниринг и машиностроение в UW, является экспертом в области материалов и технологий для производства с высокой производительностью и низким уровнем выбросов углекислого газа. Один из наиболее активных проектов его группы, также финансируемый SETO, заключается в разработке приборов in situ, которые могут измерять рост кристаллов перовскита, поскольку они быстро осаждаются во время печати с рулона на рулон. Группа Маккензи, занимающаяся исследованием изобильных материалов Земли (JCDREAM), также использует принтер с самым высоким разрешением в мире для разработки новых электродов, которые выводят электрический ток из перовскитных солнечных элементов, не блокируя попадание солнечного света в элемент.
Технический директор Washington Clean Energy Testbeds Дж. Девин Маккензи демонстрирует многоступенчатый рулонный принтер Testbeds для гибкой электроники. (Институт чистой энергии)
