Bron: cei.washington.edu/
Wat is een perovskiet?
Een perovskiet is een materiaal dat dezelfde kristalstructuur heeft als het mineraal calciumtitaniumoxide, het eerst ontdekte perovskietkristal. Over het algemeen hebben perovskietverbindingen de chemische formule ABX3, waarbij 'A' en 'B' kationen vertegenwoordigen en X een anion is dat aan beide bindt. Een groot aantal verschillende elementen kan met elkaar worden gecombineerd om perovskietstructuren te vormen. Met behulp van deze compositorische flexibiliteit kunnen wetenschappers perovskietkristallen ontwerpen met een breed scala aan fysieke, optische en elektrische kenmerken. Perovskietkristallen worden tegenwoordig gevonden in ultrasone machines, geheugenchips en nu in zonnecellen.
Een schema van een perovskiet kristalstructuur. (Wikimedia Commons)
Schone energietoepassingen van perovskieten
Alle fotovoltaïsche zonnecellen zijn afhankelijk van halfgeleiders - materialen in het midden tussen elektrische isolatoren zoals glas en metalen geleiders zoals koper - om de energie van licht in elektriciteit om te zetten. Licht van de zon wekt elektronen op in het halfgeleidermateriaal, die in geleidende elektroden stromen en elektrische stroom produceren.
Silicium is sinds de jaren vijftig het belangrijkste halfgeleidermateriaal dat in zonnecellen wordt gebruikt, omdat de halfgeleidende eigenschappen ervan goed aansluiten bij het spectrum van de zonnestralen en het relatief overvloedig en stabiel is. De grote siliciumkristallen die in conventionele zonnepanelen worden gebruikt, vereisen echter een duur, meerstaps productieproces dat veel energie verbruikt. In de zoektocht naar een alternatief hebben wetenschappers de afstembaarheid van perovskieten aangewend om halfgeleiders te maken met vergelijkbare eigenschappen als silicium. Perovskiet-zonnecellen kunnen worden vervaardigd met behulp van eenvoudige, additieve depositietechnieken, zoals printen, voor een fractie van de kosten en energie. Vanwege de compositieflexibiliteit van perovskieten, kunnen ze ook worden afgestemd op het spectrum van de zon.
In 2012 ontdekten onderzoekers voor het eerst hoe ze een stabiele, dunne-film perovskiet-zonnecel konden maken met een licht-foton-naar-elektron conversie-efficiëntie van meer dan 10%, met behulp van loodhalogenide-perovskieten als de lichtabsorberende laag. Sindsdien is de conversie-efficiëntie van zonlicht naar elektrisch vermogen van perovskiet-zonnecellen omhooggeschoten, met een laboratoriumrecord van 25,2%. Onderzoekers combineren ook perovskiet-zonnecellen met conventionele siliciumzonnecellen - de recordrendementen voor deze "perovskiet op silicium" tandemcellen zijn momenteel 29,1% (overtreffend het record van 27% voor conventionele siliciumcellen) en stijgen snel. Met deze snelle stijging van de celefficiëntie kunnen perovskiet-zonnecellen en perovskiet-tandemzonnecellen binnenkort goedkope, zeer efficiënte alternatieven worden voor conventionele siliciumzonnecellen.
Een dwarsdoorsnede van een perovskiet-zonnecel. (Schone Energie Instituut)
Wat zijn enkele huidige onderzoeksdoelen?
Hoewel perovskiet-zonnecellen, waaronder perovskiet op siliciumtandems, door tientallen bedrijven over de hele wereld worden gecommercialiseerd, zijn er nog steeds fundamentele wetenschappelijke en technische uitdagingen die hun prestaties, betrouwbaarheid en maakbaarheid kunnen verbeteren.
Sommige perovskiet-onderzoekers blijven de conversie-efficiëntie pushen door defecten in de perovskiet te karakteriseren. Hoewel perovskiet-halfgeleiders opmerkelijk defecttolerant zijn, hebben defecten nog steeds een negatieve invloed op de prestaties, vooral die aan het oppervlak van de actieve laag. Andere onderzoekers onderzoeken nieuwe chemische formuleringen van perovskiet, zowel om hun elektronische eigenschappen af te stemmen op specifieke toepassingen (zoals tandemcelstapels), als om hun stabiliteit en levensduur verder te verbeteren.
Onderzoekers werken ook aan nieuwe celontwerpen, nieuwe inkapselingsstrategieën om perovskiet tegen de omgeving te beschermen en om fundamentele afbraakroutes te begrijpen, zodat ze versnelde verouderingsstudies kunnen gebruiken om te voorspellen hoe perovskiet-zonnecellen op daken zullen meegaan. Anderen onderzoeken snel een verscheidenheid aan productieprocessen, waaronder hoe perovskiet-"inkten" kunnen worden aangepast aan gevestigde grootschalige afdrukmethoden voor oplossingen. Ten slotte, terwijl de best presterende perovskieten tegenwoordig worden gemaakt met een kleine hoeveelheid lood, onderzoeken onderzoekers ook alternatieve samenstellingen en nieuwe inkapselingsstrategieën om de bezorgdheid over loodtoxiciteit te verminderen.
Hoe bevordert CEI perovskieten?
Perovskietkristallen vertonen vaak defecten op atomaire schaal die de efficiëntie van de zonneconversie kunnen verminderen. CEI Chief Scientist en chemieprofessor David Gingerhas ontwikkelde 'passivatie'-technieken, waarbij perovskieten met verschillende chemische verbindingen werden behandeld om deze defecten te genezen. Maar wanneer perovskietkristallen worden samengevoegd tot zonnecellen, kunnen de stroomverzamelende elektroden extra defecten veroorzaken. In 2019 ontvingen Ginger en medewerkers van Georgia Tech financiering van het Solar Energy Technologies Office (SETO) van het Amerikaanse Department of Energy om nieuwe passiveringsstrategieën en nieuwe materialen voor het verzamelen van lading te ontwikkelen, waardoor perovskiet-zonnecellen hun volledige efficiëntiepotentieel kunnen bereiken en toch compatibel blijven met goedkope fabricage.
Professor in de chemie Daniel Gamelin en zijn groep streven ernaar siliciumzonnecellen te modificeren met perovskietcoatings om hoogenergetische fotonen van blauw licht efficiënter te verzamelen, waarbij de theoretische limiet van 33% conversie voor conventionele siliciumcellen wordt omzeild. Gamelin en zijn team hebben perovskiet-kwantumdots ontwikkeld - kleine deeltjes die duizenden keren kleiner zijn dan een mensenhaar - die fotonen met hoge energie kunnen absorberen en twee keer zoveel fotonen met lage energie kunnen uitzenden, een proces dat 'kwantumsnijden' wordt genoemd. Elk foton dat door een zonnecel wordt geabsorbeerd, genereert één elektron, dus de perovskiet-kwantumdotcoating zou de conversie-efficiëntie drastisch kunnen verhogen.
Gamelin en zijn team hebben een spin-offbedrijf opgericht genaamd BlueDot Photonics om de technologie te commercialiseren. Met financiering van SETO ontwikkelen Gamelin en BlueDot depositietechnieken om dunne films van perovskietmaterialen te creëren voor zonnecellen met een groot oppervlak en voor het verbeteren van conventionele siliciumzonnecellen.
Hugh Hillhouse, professor in de chemische technologie, gebruikt algoritmen voor machine learning om onderzoek naar perovskieten te ondersteunen. Met behulp van fotoluminescentie die is vastgelegd met hogesnelheidsvideo, testen Hillhouse en zijn groep een verscheidenheid aan hybride perovskieten voor stabiliteit op de lange termijn. Deze experimenten genereren enorme datasets, maar met behulp van machine learning willen ze een voorspellend degradatiemodel voor perovskiet-zonnecellen genereren. Dit model kan hen helpen de chemische samenstelling en structuur van een perovskiet-zonnecel te optimaliseren voor stabiliteit op de lange termijn - een belangrijke barrière voor commercialisering.
In de Washington Clean Energy Testbeds, een open-access laboratorium dat wordt beheerd door CEI, kunnen onderzoekers en ondernemers ultramoderne apparatuur gebruiken om technologieën zoals perovskiet-zonnecellen te ontwikkelen, testen en opschalen. Met behulp van de roll-to-roll-printer bij de Testbeds kunnen perovskiet-inkten bij lage temperaturen op flexibele substraten worden geprint. Testbeds technisch directeurJ. Devin MacKenzie, een professor in materiaalkunde& engineering en werktuigbouwkunde bij UW, is een expert op het gebied van materialen en technieken voor productie met een hoge doorvoer en een lage CO2-voetafdruk. Een van de meest actieve projecten van zijn groep, ook gefinancierd door SETO, is de ontwikkeling van in-situ-instrumenten die de groei van perovskietkristallen kunnen meten terwijl ze snel worden afgezet tijdens rol-naar-rol afdrukken. Met steun van het Joint Centre for the Development and Onderzoek van Earth Abundant Materials (JCDREAM), MacKenzie's groep gebruikt ook 's werelds hoogste resolutie printer om nieuwe elektroden te ontwikkelen om elektrische stroom uit perovskiet-zonnecellen te trekken zonder dat zonlicht de cel binnendringt.
Washington Clean Energy Testbeds Technisch directeur J. Devin MacKenzie demonstreert de meertraps roll-to-roll printer van de Testbeds voor flexibele elektronica. (Schone Energie Instituut)