Hvorfor perovskites kunne tage solceller til nye højder

Perovskites lover at skabe solpaneler, der let kan afsættes på de fleste overflader, inklusive fleksible og teksturerede. Disse materialer ville også være lette, billige at producere og lige så effektive som nutidens førende solcellematerialer, som hovedsageligt er silicium. De er genstand for stigende forskning og investeringer, men virksomheder, der ønsker at udnytte deres potentiale, er nødt til at løse nogle resterende forhindringer, før perovskit-baserede solceller kan være kommercielt konkurrencedygtige.

Udtrykket perovskit refererer ikke til et specifikt materiale, såsom silicium eller cadmiumtellurid, andre førende konkurrenter i det fotovoltaiske område, men til en hel familie af forbindelser. Perovskitfamilien af ​​solmaterialer er opkaldt efter dens strukturelle lighed med et mineral kaldet perovskit, som blev opdaget i 1839 og opkaldt efter den russiske mineralog L.A. Perovski.

Det originale mineral perovskit, som er calcium titaniumoxid (CaTiO₃ ), har en karakteristisk krystalkonfiguration. Den har en tredelt struktur, hvis komponenter er blevet mærket A, B og X, hvor gitter af de forskellige komponenter er sammenflettet. Familien af ​​perovskitter består af de mange mulige kombinationer af grundstoffer eller molekyler, der kan optage hver af de tre komponenter og danne en struktur, der ligner den oprindelige perovskit selv. (Nogle forskere bøjer endda reglerne lidt ved at navngive andre krystalstrukturer med lignende elementer "perovskites", selvom dette er ilde set af krystallografer.)

"Du kan blande og matche atomer og molekyler ind i strukturen med nogle begrænsninger. For eksempel, hvis du forsøger at stoppe et molekyle, der er for stort ind i strukturen, vil du forvrænge det. Til sidst kan du få 3D-krystallen til at adskilles i en 2D lagdelt struktur, eller miste ordnet struktur helt," siger Tonio Buonassisi, professor i maskinteknik ved MIT og direktør for Photovoltaics Research Laboratory. "Perovskites er meget tunbare, ligesom en krystalstruktur, der bygger dit-egen-eventyr," siger han.

Den struktur af sammenflettede gitter består af ioner eller ladede molekyler, to af dem (A og B) positivt ladet og den anden (X) negativt ladet. A- og B-ionerne er typisk af ret forskellige størrelser, hvor A er større.

Inden for den overordnede kategori af perovskitter er der en række typer, herunder metaloxidperovskiter, som har fundet anvendelse i katalyse og i energilagring og omdannelse, såsom i brændselsceller og metal-luft-batterier. Men et hovedfokus for forskningsaktivitet i mere end et årti har været på blyhalogenidperovskitter, ifølge Buonassisi.

Inden for den kategori er der stadig en legion af muligheder, og laboratorier rundt om i verden kører gennem det kedelige arbejde med at forsøge at finde de variationer, der viser den bedste ydeevne med hensyn til effektivitet, omkostninger og holdbarhed - hvilket hidtil har været den mest udfordrende af de tre.

Mange teams har også fokuseret på variationer, der eliminerer brugen af ​​bly, for at undgå dets miljøpåvirkning. Buonassisi bemærker dog, at "konsekvent over tid fortsætter de blybaserede enheder med at forbedre deres ydeevne, og ingen af ​​de andre kompositioner kom tæt på med hensyn til elektronisk ydeevne." Arbejdet fortsætter med at udforske alternativer, men indtil videre kan ingen konkurrere med blyhalogenid-versionerne.

En af de store fordele, som perovskitter giver, er deres store tolerance over for defekter i strukturen, siger han. I modsætning til silicium, som kræver ekstrem høj renhed for at fungere godt i elektroniske enheder, kan perovskiter fungere godt selv med adskillige ufuldkommenheder og urenheder.

At søge efter lovende nye kandidatsammensætninger til perovskiter er lidt som at lede efter en nål i en høstak, men for nylig er forskere kommet med et maskinlæringssystem, der i høj grad kan strømline denne proces. Denne nye tilgang kan føre til en meget hurtigere udvikling af nye alternativer, siger Buonassisi, der var medforfatter til den forskning.

Mens perovskites fortsat viser store løfter, og flere virksomheder allerede er ved at forberede sig på at begynde en kommerciel produktion, er holdbarhed fortsat den største hindring, de står over for. Mens siliciumsolpaneler bevarer op til 90 procent af deres effekt efter 25 år, nedbrydes perovskiter meget hurtigere. Der er gjort store fremskridt – indledende prøver varede kun et par timer, derefter uger eller måneder, men nyere formuleringer har brugbare levetider på op til et par år, velegnede til nogle applikationer, hvor lang levetid ikke er afgørende.

Fra et forskningsperspektiv, siger Buonassisi, er en fordel ved perovskiter, at de er relativt nemme at lave i laboratoriet - de kemiske bestanddele samles let. Men det er også deres ulempe:"Materialet går meget let sammen ved stuetemperatur," siger han, "men det skiller sig også meget nemt ad ved stuetemperatur. Nemt, nemt!"

For at håndtere dette problem er de fleste forskere fokuseret på at bruge forskellige slags beskyttende materialer til at indkapsle perovskitten og beskytte den mod udsættelse for luft og fugt. Men andre studerer de nøjagtige mekanismer, der fører til den nedbrydning, i håb om at finde formuleringer eller behandlinger, der er mere iboende robuste. Et centralt fund er, at en proces kaldet autokatalyse i høj grad er skyld i sammenbruddet.

I autokatalyse, så snart en del af materialet begynder at nedbrydes, fungerer dets reaktionsprodukter som katalysatorer for at begynde at nedbryde de tilstødende dele af strukturen, og en løbsk reaktion går i gang. Et lignende problem eksisterede i den tidlige forskning på nogle andre elektroniske materialer, såsom organiske lysemitterende dioder (OLED'er), og blev til sidst løst ved at tilføje yderligere oprensningstrin til råmaterialerne, så en lignende løsning kan findes i tilfælde af perovskites, foreslår Buonassisi.

Buonassisi og hans medforskere afsluttede for nylig en undersøgelse, der viser, at når perovskitter når en brugbar levetid på mindst et årti, takket være deres meget lavere startomkostninger, som ville være tilstrækkelige til at gøre dem økonomisk levedygtige som erstatning for silicium i store, utility- skala solfarme.

Samlet set har fremskridt i udviklingen af ​​perovskiter været imponerende og opmuntrende, siger han. Med blot et par års arbejde har det allerede opnået effektivitetsgevinster, der kan sammenlignes med niveauer, som cadmiumtellurid (CdTe), "som har eksisteret meget længere, stadig kæmper for at opnå," siger han. "Den lethed, hvormed disse højere præstationer opnås i dette nye materiale, er næsten forvirrende." Ved at sammenligne mængden af ​​forskningstid brugt på at opnå en forbedring på 1 procent i effektivitet, siger han, har fremskridtene på perovskiter været et sted mellem 100 og 1000 gange hurtigere end på CdTe. "Det er en af ​​grundene til, at det er så spændende," siger han.