Bron: news.mit.edu
Perovskieten zijn veelbelovend voor het maken van zonnepanelen die gemakkelijk op de meeste oppervlakken kunnen worden aangebracht, inclusief flexibele en gestructureerde oppervlakken. Deze materialen zouden ook licht van gewicht zijn, goedkoop te produceren en even efficiënt als de huidige toonaangevende fotovoltaïsche materialen, die voornamelijk uit silicium bestaan. Ze zijn het onderwerp van toenemend onderzoek en investeringen, maar bedrijven die hun potentieel willen benutten, moeten enkele resterende hindernissen overwinnen voordat op perovskiet gebaseerde zonnecellen commercieel concurrerend kunnen zijn.
De term perovskiet verwijst niet naar een specifiek materiaal, zoals silicium of cadmiumtelluride, andere toonaangevende kanshebbers in de fotovoltaïsche wereld, maar naar een hele familie van verbindingen. De perovskietfamilie van zonnematerialen is genoemd naar zijn structurele gelijkenis met een mineraal genaamd perovskiet, dat werd ontdekt in 1839 en vernoemd naar de Russische mineraloog LA Perovski.
Het oorspronkelijke mineraal perovskiet, dat calciumtitaniumoxide (CaTiO3) is, heeft een kenmerkende kristalconfiguratie. Het heeft een driedelige structuur, waarvan de componenten A, B en X zijn gaan heten, waarin roosters van de verschillende componenten met elkaar verweven zijn. De familie van perovskieten bestaat uit de vele mogelijke combinaties van elementen of moleculen die elk van de drie componenten kunnen bezetten en een structuur kunnen vormen die lijkt op die van het oorspronkelijke perovskiet zelf. (Sommige onderzoekers buigen de regels zelfs een beetje door andere kristalstructuren met vergelijkbare elementen 'perovskieten' te noemen, hoewel kristallografen dit afkeuren.)
"Je kunt atomen en moleculen mixen en matchen in de structuur, met enkele beperkingen. Als je bijvoorbeeld een molecuul probeert te proppen dat te groot is in de structuur, vervorm je het. Uiteindelijk zou je ervoor kunnen zorgen dat het 3D-kristal uiteenvalt in een 2D-gelaagde structuur, of verlies de geordende structuur volledig", zegt Tonio Buonassisi, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT en directeur van het Photovoltaics Research Laboratory. "Perovskieten zijn zeer afstembaar, zoals een soort kristalstructuur die je zelf kunt bouwen", zegt hij.
Die structuur van verweven roosters bestaat uit ionen of geladen moleculen, waarvan er twee (A en B) positief geladen zijn en de andere (X) negatief geladen. De A- en B-ionen hebben doorgaans een heel verschillende grootte, waarbij de A groter is.
Binnen de algemene categorie perovskieten zijn er een aantal soorten, waaronder perovskieten met metaaloxide, die toepassingen hebben gevonden in katalyse en in energieopslag en -conversie, zoals in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen. Maar volgens Buonassisi ligt de focus van het onderzoek al meer dan tien jaar op loodhalogenideperovskieten.
Binnen die categorie is er nog steeds een legioen aan mogelijkheden, en laboratoria over de hele wereld racen door het vervelende werk om de variaties te vinden die de beste prestaties laten zien op het gebied van efficiëntie, kosten en duurzaamheid - wat tot nu toe de meest uitdagende was van de drie.
Veel teams hebben zich ook gericht op variaties die het gebruik van lood elimineren, om de impact op het milieu te vermijden. Buonassisi merkt echter op dat "de op lood gebaseerde apparaten in de loop van de tijd consistent blijven verbeteren in hun prestaties, en geen van de andere composities kwam in de buurt in termen van elektronische prestaties." Er wordt verder gewerkt aan het verkennen van alternatieven, maar voorlopig kan geen enkele concurreren met de loodhalogenideversies.
Een van de grote voordelen die perovskieten bieden, is hun grote tolerantie voor defecten in de structuur, zegt hij. In tegenstelling tot silicium, dat een extreem hoge zuiverheid vereist om goed te functioneren in elektronische apparaten, kunnen perovskieten goed functioneren, zelfs met talrijke onvolkomenheden en onzuiverheden.
Zoeken naar veelbelovende nieuwe kandidaat-composities voor perovskieten is een beetje zoeken naar een speld in een hooiberg, maar recentelijk hebben onderzoekers een machine-learning systeem bedacht dat dit proces enorm kan stroomlijnen. Deze nieuwe aanpak zou kunnen leiden tot een veel snellere ontwikkeling van nieuwe alternatieven, zegt Buonassisi, medeauteur van dat onderzoek.
Hoewel perovskieten veelbelovend blijven en verschillende bedrijven zich al opmaken om met commerciële productie te beginnen, blijft duurzaamheid het grootste obstakel waarmee ze worden geconfronteerd. Terwijl siliciumzonnepanelen na 25 jaar tot 90 procent van hun vermogen behouden, breken perovskieten veel sneller af. Er is grote vooruitgang geboekt - de eerste monsters duurden slechts een paar uur, daarna weken of maanden, maar nieuwere formuleringen hebben een bruikbare levensduur tot enkele jaren, geschikt voor sommige toepassingen waarbij een lange levensduur niet essentieel is.
Vanuit een onderzoeksperspectief, zegt Buonassisi, is een voordeel van perovskieten dat ze relatief eenvoudig in het laboratorium te maken zijn - de chemische bestanddelen assembleren gemakkelijk. Maar dat is ook hun keerzijde: "Het materiaal gaat heel gemakkelijk samen bij kamertemperatuur", zegt hij, "maar het valt ook heel gemakkelijk uit elkaar bij kamertemperatuur. Easy come, easy go!"
Om dat probleem aan te pakken, zijn de meeste onderzoekers gefocust op het gebruik van verschillende soorten beschermende materialen om het perovskiet in te kapselen en het te beschermen tegen blootstelling aan lucht en vocht. Maar anderen bestuderen de exacte mechanismen die tot die achteruitgang leiden, in de hoop formuleringen of behandelingen te vinden die inherent robuuster zijn. Een belangrijke bevinding is dat een proces genaamd autokatalyse grotendeels verantwoordelijk is voor de storing.
Bij autokatalyse, zodra een deel van het materiaal begint af te breken, werken de reactieproducten ervan als katalysatoren om de naburige delen van de structuur af te breken, en komt er een op hol geslagen reactie op gang. Een soortgelijk probleem bestond in het vroege onderzoek naar enkele andere elektronische materialen, zoals organische lichtemitterende diodes (OLED's), en werd uiteindelijk opgelost door extra zuiveringsstappen toe te voegen aan de grondstoffen, dus een vergelijkbare oplossing kan worden gevonden in het geval van perovskieten, suggereert Buonassisi.
Buonassisi en zijn medeonderzoekers hebben onlangs een studie afgerond waaruit blijkt dat zodra perovskieten een bruikbare levensduur van ten minste tien jaar hebben bereikt, dankzij hun veel lagere initiële kosten voldoende zouden zijn om ze economisch levensvatbaar te maken als substituut voor silicium in grote toepassingen. schaal zonneparken.
Over het algemeen was de vooruitgang in de ontwikkeling van perovskieten indrukwekkend en bemoedigend, zegt hij. Met slechts een paar jaar werk heeft het al efficiënties bereikt die vergelijkbaar zijn met niveaus die cadmiumtelluride (CdTe), "dat al veel langer bestaat, nog steeds moeite heeft om te bereiken", zegt hij. "Het gemak waarmee deze hogere prestaties worden bereikt in dit nieuwe materiaal is bijna bedwelmend." Als we de hoeveelheid onderzoekstijd vergelijken die is besteed aan het bereiken van een verbetering van 1 procent in efficiëntie, zegt hij, is de vooruitgang op perovskieten ergens tussen de 100 en 1,000 keer sneller dan die op CdTe. "Dat is een van de redenen waarom het zo spannend is", zegt hij.