Forskere opdager materiale, der er ideelt til smarte solcellevinduer

Smarte vinduer, der er gennemsigtige, når det er mørkt eller køligt, men som automatisk bliver mørkere, når solen er for skarp, er stadig mere populære energibesparende enheder. Men forestil dig, at når vinduet er mørkt, det producerer samtidig elektricitet. Sådan et materiale - et solcelleglas, der også er reversibelt termokromt - er en grøn teknologi, forskere længe har arbejdet hen imod, og nu, forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har demonstreret en måde at få det til at fungere.

Forskere ved Berkeley Lab, et nationalt laboratorium fra Department of Energy (DOE), opdagede, at en form for perovskit, et af de hotteste materialer i solforskning i øjeblikket på grund af dets høje konverteringseffektivitet, fungerer overraskende godt som et stabilt og fotoaktivt halvledermateriale, der reversibelt kan skiftes mellem en transparent tilstand og en ikke-transparent tilstand, uden at forringe dets elektroniske egenskaber.

Forskningen, ledet af Peidong Yang fra Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer i en undersøgelse med titlen, "Termokromiske Halide Perovskite Solceller." Hovedforfatterne var Jia Lin, Minliang Lai, og Letian Dou, alle i Yangs forskningsgruppe.

Forskerne gjorde opdagelsen, mens de undersøgte materialets faseovergang, en uorganisk perovskit. "Denne klasse af uorganisk halogenidperovskit har en fantastisk faseovergangskemi, " sagde Yang, som også er professor i UC Berkeleys afdelinger for kemi, og materialevidenskab og teknik. "Det kan i det væsentlige ændre sig fra en krystalstruktur til en anden, når vi ændrer temperaturen lidt eller introducerer lidt vanddamp."

Når materialet ændrer sin krystalstruktur, det skifter fra gennemsigtigt til ikke-gennemsigtigt. "Disse to tilstande har nøjagtig samme sammensætning, men meget forskellige krystalstrukturer, " sagde han. "Det var meget interessant for os. Så du kan nemt manipulere det på en sådan måde, at det ikke er let tilgængeligt i eksisterende konventionelle halvledere."

Halidperovskitmaterialer er forbindelser, der har krystalstrukturen af ​​mineralet perovskit. Dens unikke egenskaber, høj effektivitetsgrad, og let forarbejdning har gjort det til en af ​​de mest lovende udviklinger inden for solteknologi i de seneste år.

Forskere ved et andet DOE-laboratorium, National Renewable Energy Laboratory (NREL), for nylig gjort en relateret opdagelse, ved hjælp af en kemisk reaktion i en hybrid perovskit for at demonstrere et omskifteligt solvindue.

Berkeley Lab-forskerne satte sig ikke oprindeligt for at udvikle et termokromt solvindue. De undersøgte faseovergange i perovskit-solceller og forsøgte at forbedre stabiliteten i den prototypiske organisk-uorganiske hybridperovskit-methylammonium-blyiodid. Så de forsøgte at bruge cæsium til at erstatte methylammonium.

"Den kemiske stabilitet forbedredes dramatisk, men fasen var desværre ikke stabil, " sagde Dou, som var postdoc og nu er adjunkt ved Purdue University. "Det forvandlede sig til lav-T [temperatur]-fasen. Det var en ulempe, men så forvandlede vi det til noget, der er unikt og nyttigt."

Materialet udløses til overgang fra lav-T til høj-T fase (eller fra transparent til ikke-transparent) ved at tilføre varme. I laboratoriet, den nødvendige temperatur var omkring 100 grader Celsius. Yang sagde, at de arbejder på at bringe det ned til 60 C.

Lin, en Berkeley Lab postdoc-stipendiat, sagde fugt, eller fugtighed, blev brugt i laboratoriet til at udløse den omvendte overgang. "Mængden af ​​nødvendig fugt afhænger af sammensætningen og den ønskede overgangstid, " sagde han. "F.eks. mere bromid gør materialet mere stabilt, så den samme fugtighed ville kræve længere tid at transformere fra høj-T til lav-T tilstand."

Forskerne vil også fortsætte med at arbejde på at udvikle alternative måder at udløse den omvendte overgang, ved at påføre spænding, eller konstruktion af kilden til fugten.

"Solcellen viser fuldt reversibel ydeevne og fremragende enhedsstabilitet over gentagne faseovergangscyklusser uden nogen form for falmning eller ydeevneforringelse, " sagde Lai, en kandidatstuderende i Yangs gruppe. "Med en enhed som denne, en bygning eller bil kan høste solenergi gennem det smarte solcellevindue."