Manba: cei.washington.edu/
Perovskit nima
Perovskit - bu birinchi kashf etilgan perovskit kristalli mineral kaltsiy titan oksidi bilan bir xil kristall tuzilishga ega bo'lgan material. Umuman olganda, perovskit birikmalari ABX kimyoviy formulasiga ega3, bu erda 'A' va 'B' kationlarni ifodalaydi va X ikkalasini ham bog'laydigan aniondir. Perovskit tuzilmalarini yaratish uchun juda ko'p turli xil elementlar birlashtirilishi mumkin. Ushbu kompozitsion moslashuvchanlikdan foydalanib, olimlar turli xil jismoniy, optik va elektr xususiyatlarga ega bo'lgan perovskit kristallarini loyihalashlari mumkin. Perovskit kristallari bugungi kunda ultratovush apparatlarida, xotira chiplarida, hozir esa quyosh batareyalarida topilgan.
Perovskit kristalli strukturasining sxemasi. (Wikimedia Commons)
Perovskitlarning toza energiya qo'llanilishi
Barcha fotovoltaik quyosh xujayralari energiyani yorug'likdan elektrga aylantirish uchun yarimo'tkazgichlarga - shisha kabi elektr izolyatorlari va mis kabi metall o'tkazgichlar orasidagi o'rtadagi materiallarga tayanadi. Quyosh nuri yarimo'tkazgich materialidagi elektronlarni qo'zg'atadi, ular o'tkazuvchi elektrodlarga oqib, elektr tokini hosil qiladi.
Kremniy 1950-yillardan beri quyosh batareyalarida ishlatiladigan asosiy yarimo'tkazgich materialidir, chunki uning yarim o'tkazuvchanlik xususiyatlari quyosh nurlari spektriga yaxshi mos keladi va u nisbatan ko'p va barqaror. Biroq, an'anaviy quyosh panellarida ishlatiladigan yirik kremniy kristallari ko'p energiya sarflaydigan qimmat, ko'p bosqichli ishlab chiqarish jarayonini talab qiladi. Muqobil variantni izlashda olimlar kremniyga o'xshash xususiyatlarga ega yarimo'tkazgichlarni yaratish uchun perovskitlarning sozlanishidan foydalanishdi. Perovskit quyosh xujayralari xarajat va energiyaning bir qismini bosib chiqarish kabi oddiy, qo'shimchali cho'kma texnikasi yordamida ishlab chiqarilishi mumkin. Perovskitlarning kompozitsion moslashuvchanligi tufayli ularni quyosh spektriga ideal tarzda moslashtirish uchun ham sozlash mumkin.
2012 yilda tadqiqotchilar birinchi marta yorug'likni yutuvchi qatlam sifatida qo'rg'oshin galoid perovskitlaridan foydalangan holda yorug'lik foton-elektronga o'tkazish samaradorligi 10% dan ortiq bo'lgan barqaror, yupqa plyonkali perovskit quyosh batareyasini qanday yaratishni aniqladilar. O'shandan beri, perovskit quyosh xujayralarining quyosh nurini elektr energiyasiga aylantirish samaradorligi keskin oshdi va laboratoriya rekordi 25,2% ni tashkil etdi. Tadqiqotchilar, shuningdek, perovskit quyosh xujayralarini an'anaviy kremniy quyosh xujayralari bilan birlashtirmoqdalar - bu "perovskite kremniy" tandem xujayralari uchun rekord samaradorlik hozirda 29,1% ni tashkil etadi (an'anaviy kremniy hujayralari uchun 27% rekordidan oshib ketadi) va tez o'sib bormoqda. Hujayra samaradorligining tez sur'atlarda o'sishi bilan perovskit quyosh xujayralari va perovskit tandem quyosh xujayralari tez orada an'anaviy silikon quyosh xujayralariga arzon va yuqori samarali alternativa bo'lishi mumkin.
Perovskit quyosh batareyasining ko'ndalang kesimi. (Toza energiya instituti)
Hozirgi tadqiqot maqsadlari qanday?
Perovskit quyosh xujayralari, shu jumladan kremniy tandemlaridagi perovskit butun dunyo bo'ylab o'nlab kompaniyalar tomonidan tijoratlashtirilayotgan bo'lsa-da, ularning ishlashi, ishonchliligi va ishlab chiqarish qobiliyatini yaxshilashga yordam beradigan asosiy fan va muhandislik muammolari hali ham mavjud.
Ba'zi perovskit tadqiqotchilari perovskitdagi nuqsonlarni tavsiflash orqali konversiya samaradorligini oshirishda davom etmoqdalar. Perovskit yarimo'tkazgichlari sezilarli darajada nuqsonlarga chidamli bo'lsa-da, nuqsonlar hali ham ishlashga salbiy ta'sir qiladi - ayniqsa faol qatlam yuzasida paydo bo'lganlar. Boshqa tadqiqotchilar yangi perovskit kimyoviy formulalarini o'rganmoqdalar, ularning elektron xususiyatlarini ma'lum ilovalar uchun (masalan, tandem hujayralar stacklari) sozlash yoki ularning barqarorligi va umrini yanada yaxshilash.
Tadqiqotchilar, shuningdek, yangi hujayra dizaynlari, perovskitlarni atrof-muhitdan himoya qilish uchun yangi inkapsulyatsiya strategiyalari va asosiy buzilish yo'llarini tushunish ustida ishlamoqdalar, shuning uchun ular perovskit quyosh xujayralari tomlarda qanday turishini taxmin qilish uchun tezlashtirilgan qarish tadqiqotlaridan foydalanishlari mumkin. Boshqalar esa, turli xil ishlab chiqarish jarayonlarini, jumladan, perovskit "siyohlarini" o'rnatilgan keng miqyosli eritma chop etish usullariga qanday moslashtirishni tezda o'rganmoqda. Va nihoyat, bugungi kunda eng yaxshi ishlaydigan perovskitlar oz miqdorda qo'rg'oshin bilan ishlab chiqarilgan bo'lsa-da, tadqiqotchilar qo'rg'oshin toksikligi bilan bog'liq tashvishlarni yumshatish uchun muqobil kompozitsiyalar va yangi kapsülleme strategiyalarini ham o'rganmoqdalar.
CEI perovskitlarni qanday rivojlantirmoqda?
Perovskit kristallari ko'pincha quyosh konvertatsiyasi samaradorligini pasaytiradigan atom miqyosidagi nuqsonlarni ko'rsatadi. CEI bosh olimi va kimyo professori Devid Ginger ushbu nuqsonlarni davolash uchun perovskitlarni turli kimyoviy birikmalar bilan davolashda “passivatsiya” usullarini ishlab chiqdi. Ammo perovskit kristallari quyosh batareyalariga yig'ilganda, oqim yig'uvchi elektrodlar qo'shimcha nuqsonlarni yaratishi mumkin. 2019 yilda Ginger va Georgia Tech hamkorlari AQSh Energetika Departamentining Quyosh energiyasi texnologiyalari idorasidan (SETO) yangi passivatsiya strategiyalari va yangi zaryad yig'uvchi materiallarni ishlab chiqish uchun mablag' oldilar, bu esa perovskit quyosh batareyalariga to'liq samaradorlik potentsialiga erishishga imkon beradi, shu bilan birga hali ham mos kelaveradi. arzon ishlab chiqarish bilan.
Kimyo professori Daniel Gamelin va uning guruhi an'anaviy kremniy hujayralari uchun 33% konversiyaning nazariy chegarasini chetlab o'tib, ko'k yorug'likning yuqori energiyali fotonlarini yanada samarali yig'ish uchun kremniy quyosh batareyalarini perovskit qoplamali o'zgartirishni maqsad qilgan. Gamelin va uning jamoasi perovskit kvant nuqtalarini - inson sochidan minglab marta kichikroq mayda zarrachalarni ishlab chiqdilar, ular yuqori energiyali fotonlarni o'zlashtiradi va ikki barobar ko'p kam energiyali fotonlarni chiqaradi, bu jarayon "kvant kesish" deb ataladi. Quyosh xujayrasi tomonidan so'rilgan har bir foton bitta elektron hosil qiladi, shuning uchun perovskit kvant nuqta qoplamasi konversiya samaradorligini sezilarli darajada oshirishi mumkin.
Gamelin va uning jamoasi texnologiyani tijoratlashtirish uchun BlueDot Photonics nomli spin-off kompaniyasini tuzdilar. SETO tomonidan moliyalashtirilgan holda, Gamelin va BlueDot keng maydonli quyosh xujayralari uchun perovskit materiallaridan yupqa qatlamlarni yaratish va an'anaviy kremniy quyosh xujayralarini yaxshilash uchun cho'kma texnikasini ishlab chiqmoqda.
Kimyoviy muhandislik professori Hugh Hillhouse perovskitlarni tadqiq qilishda yordam berish uchun mashinani o'rganish algoritmlaridan foydalanadi. Yuqori tezlikdagi video orqali olingan fotoluminesansdan foydalanib, Hillhouse va uning guruhi uzoq muddatli barqarorlik uchun turli gibrid perovskitlarni sinovdan o'tkazmoqda. Ushbu tajribalar ulkan ma'lumotlar to'plamlarini yaratadi, ammo mashinani o'rganishdan foydalanib, ular perovskit quyosh xujayralari uchun degradatsiyaning bashoratli modelini yaratishga qaratilgan. Ushbu model ularga perovskit quyosh batareyasining kimyoviy tarkibi va tuzilishini uzoq muddatli barqarorlik uchun optimallashtirishga yordam beradi - bu tijoratlashtirish uchun asosiy to'siqdir.
CEI tomonidan boshqariladigan Vashington Clean Energy Testbeds laboratoriyasida tadqiqotchilar va tadbirkorlar perovskit quyosh batareyalari kabi texnologiyalarni ishlab chiqish, sinovdan o'tkazish va masshtablash uchun eng so'nggi uskunalardan foydalanishlari mumkin. Test yotoqlarida rulonli printerdan foydalanib, perovskit siyohlarini past haroratlarda moslashuvchan substratlarga bosib chiqarish mumkin. Testbeds texnik direktori J. Devin MakKenzi, materialshunoslik professori& UW da muhandislik va mashinasozlik, yuqori mahsuldorlik va past uglerod izini ishlab chiqarish uchun materiallar va texnikalar bo'yicha mutaxassis. Uning guruhining eng faol loyihalaridan biri, shuningdek, SETO tomonidan moliyalashtiriladi, perovskit kristallarining o'sishini o'lchash mumkin bo'lgan in situ asboblarini ishlab chiqmoqda, chunki ular rulondan rulonga bosib chiqarish jarayonida tez yotqiziladi. Rivojlanish va qo'shma markaz ko'magida. Yerga boy materiallar (JCDREAM) tadqiqoti, MacKenzie guruhi, shuningdek, quyosh nurlarining hujayraga kirishiga to'sqinlik qilmasdan, perovskit quyosh batareyalaridan elektr tokini tortib olish uchun yangi elektrodlarni ishlab chiqish uchun dunyodagi eng yuqori aniqlikdagi printerdan foydalanmoqda.
Washington Clean Energy Testbeds texnik direktori J. Devin MakKenzi egiluvchan elektronika uchun Testbeds'ning ko'p bosqichli roll-to-roll printerini namoyish qilmoqda. (Toza energiya instituti)