Kaynak: cei.washington.edu/
perovskit nedir
Bir perovskit, ilk keşfedilen perovskit kristali olan mineral kalsiyum titanyum oksit ile aynı kristal yapıya sahip bir malzemedir. Genel olarak, perovskit bileşikleri ABX kimyasal formülüne sahiptir.3, burada 'A' ve 'B' katyonları temsil eder ve X, her ikisine de bağlanan bir anyondur. Perovskite yapılar oluşturmak için çok sayıda farklı element bir araya getirilebilir. Bu bileşimsel esnekliği kullanarak, bilim adamları çok çeşitli fiziksel, optik ve elektriksel özelliklere sahip olacak şekilde perovskit kristalleri tasarlayabilirler. Perovskite kristalleri günümüzde ultrason makinelerinde, bellek yongalarında ve şimdi güneş pillerinde bulunur.
Bir perovskit kristal yapısının şeması. (Wikimedia Commons)
Perovskitlerin temiz enerji uygulamaları
Tüm fotovoltaik güneş pilleri, enerjiyi ışıktan elektriğe dönüştürmek için yarı iletkenlere (cam gibi elektrik yalıtkanları ve bakır gibi metalik iletkenler arasındaki orta zemindeki malzemeler) dayanır. Güneşten gelen ışık, iletken elektrotlara akan ve elektrik akımı üreten yarı iletken malzemedeki elektronları uyarır.
Silisyum, yarı iletken özellikleri güneş ışınlarının spektrumu ile uyumlu olduğundan ve nispeten bol ve stabil olduğundan, 1950'lerden beri güneş pillerinde kullanılan birincil yarı iletken malzeme olmuştur. Bununla birlikte, geleneksel güneş panellerinde kullanılan büyük silikon kristalleri, çok fazla enerji kullanan pahalı, çok aşamalı bir üretim süreci gerektirir. Bir alternatif arayışında bilim adamları, silikona benzer özelliklere sahip yarı iletkenler oluşturmak için perovskitlerin ayarlanabilirliğinden yararlandılar. Perovskite güneş pilleri, maliyet ve enerjinin bir kısmı için baskı gibi basit, eklemeli biriktirme teknikleri kullanılarak üretilebilir. Perovskitlerin bileşimsel esnekliği nedeniyle, güneş spektrumuna ideal olarak uymaları için de ayarlanabilirler.
2012 yılında, araştırmacılar ilk olarak ışık emici katman olarak kurşun halojenür perovskitleri kullanarak hafif foton-elektron dönüşüm verimliliği %10'un üzerinde olan kararlı, ince film perovskit güneş pili yapmayı keşfettiler. O zamandan beri, perovskite güneş pillerinin güneş ışığından elektrik enerjisine dönüşüm verimliliği, laboratuvar rekoru %25.2'de durarak fırladı. Araştırmacılar ayrıca perovskit güneş pillerini geleneksel silikon güneş pilleri ile birleştiriyorlar - bu "silikon üzerine perovskit" tandem hücreleri için rekor verimlilikler şu anda %29,1 (geleneksel silikon hücreler için %27'lik rekoru aşıyor) ve hızla yükseliyor. Hücre verimliliğindeki bu hızlı artışla birlikte, perovskit güneş pilleri ve perovskit tandem güneş pilleri, kısa sürede geleneksel silikon güneş pillerine ucuz, yüksek verimli alternatifler haline gelebilir.
Bir perovskit güneş pilinin bir kesiti. (Temiz Enerji Enstitüsü)
Bazı güncel araştırma hedefleri nelerdir?
Silikon tandemler üzerinde perovskit de dahil olmak üzere perovskit güneş pilleri dünya çapında düzinelerce şirket tarafından ticarileştirilirken, performanslarını, güvenilirliklerini ve üretilebilirliklerini artırabilecek, ele alınması gereken temel bilim ve mühendislik zorlukları hala vardır.
Bazı perovskite araştırmacıları, perovskite'deki kusurları karakterize ederek dönüştürme verimliliklerini zorlamaya devam ediyor. Perovskite yarı iletkenler kayda değer ölçüde kusur toleranslı olsa da, kusurlar hala performansı olumsuz etkiler - özellikle aktif tabakanın yüzeyinde meydana gelenler. Diğer araştırmacılar, hem belirli uygulamalar (tandem hücre yığınları gibi) için elektronik özelliklerini ayarlamak hem de stabilitelerini ve ömürlerini daha da geliştirmek için yeni perovskite kimyasal formülasyonları araştırıyorlar.
Araştırmacılar ayrıca perovskitleri çevreden korumak için yeni hücre tasarımları, yeni kapsülleme stratejileri ve temel bozulma yollarını anlamak için çalışıyorlar, böylece perovskit güneş pillerinin çatılarda nasıl dayanacağını tahmin etmek için hızlandırılmış yaşlanma çalışmalarını kullanabilirler. Diğerleri, perovskite “mürekkeplerin” yerleşik büyük ölçekli çözüm baskı yöntemlerine nasıl uyarlanacağı da dahil olmak üzere çeşitli üretim süreçlerini hızla araştırıyor. Son olarak, günümüzde en iyi performans gösteren perovskitler az miktarda kurşunla yapılırken, araştırmacılar kurşun toksisitesi ile ilgili endişeleri azaltmak için alternatif bileşimler ve yeni kapsülleme stratejileri de araştırıyorlar.
CEI perovskitleri nasıl ilerletiyor?
Perovskit kristalleri genellikle güneş enerjisi dönüşüm verimliliğini azaltabilecek atomik ölçekte kusurlar sergiler. CEI Baş Bilim İnsanı ve kimya profesörü David Ginger, bu kusurları iyileştirmek için perovskitleri farklı kimyasal bileşiklerle tedavi ederek “pasivasyon” teknikleri geliştirdi. Ancak perovskit kristalleri güneş pillerine monte edildiğinde, akım toplayan elektrotlar ek kusurlar yaratabilir. 2019'da Ginger ve Georgia Tech'deki işbirlikçileri, ABD Enerji Bakanlığı'nın Güneş Enerjisi Teknolojileri Ofisi'nden (SETO) yeni pasivasyon stratejileri ve yeni şarj toplama malzemeleri geliştirmek için fon aldı ve perovskite güneş pillerinin tam verimlilik potansiyellerine erişmesine ve hala uyumlu kalmasına izin verdi. düşük maliyetli üretim ile.
Kimya profesörüDaniel Gamelin ve grubu, geleneksel silikon hücreler için teorik olarak %33'lük dönüşüm sınırını atlayarak, mavi ışığın yüksek enerjili fotonlarını daha verimli bir şekilde toplamak için silikon güneş pillerini perovskit kaplamalarla değiştirmeyi hedefliyor. Gamelin ve ekibi, yüksek enerjili fotonları emebilen ve iki katı kadar düşük enerjili foton yayan, "kuantum kesme" olarak adlandırılan bir süreç olan, insan saçından binlerce kat daha küçük olan küçük parçacıklar olan perovskit kuantum noktaları geliştirdiler. Bir güneş pili tarafından emilen her foton bir elektron üretir, bu nedenle perovskite kuantum nokta kaplama, dönüşüm verimliliğini önemli ölçüde artırabilir.
Gamelin ve ekibi, teknolojiyi ticarileştirmek için BlueDot Photonics adlı bir yan şirket kurdu. SETO'nun finansmanıyla Gamelin ve BlueDot, geniş alanlı güneş pilleri ve geleneksel silikon güneş pillerini geliştirmek için ince perovskite malzeme filmleri oluşturmak için biriktirme teknikleri geliştiriyor.
Kimya mühendisliği profesörü Hugh Hillhouse, perovskit araştırmalarına yardımcı olmak için makine öğrenimi algoritmaları kullanıyor. Hillhouse ve grubu, yüksek hızlı videoyla yakalanan fotolüminesans kullanarak, uzun vadeli kararlılık için çeşitli hibrit perovskitleri test ediyor. Bu deneyler muazzam veri setleri oluşturuyor, ancak makine öğrenimini kullanarak, perovskite güneş pilleri için tahmine dayalı bir bozulma modeli oluşturmayı hedefliyorlar. Bu model, uzun vadeli stabilite için bir perovskite güneş pilinin kimyasal yapısını ve yapısını optimize etmelerine yardımcı olabilir - ticarileştirmenin önündeki önemli bir engel.
CEI tarafından işletilen açık erişimli bir laboratuvar tesisi olan Washington Temiz Enerji Test Yataklarında, araştırmacılar ve girişimciler, perovskit güneş pilleri gibi teknolojileri geliştirmek, test etmek ve ölçeklendirmek için son teknoloji ürünü ekipmanları kullanabilirler. Test yataklarında rulodan ruloya yazıcı kullanılarak, perovskite mürekkepler esnek alt tabakalar üzerine düşük sıcaklıklarda basılabilir. Testbeds teknik direktörüJ. Malzeme bilimi&amfisi profesörü Devin MacKenzie; UW'de mühendislik ve makine mühendisliği, yüksek verimli ve düşük karbon ayak izi üretimi için malzeme ve teknikler konusunda uzmandır. Grubunun yine SETO tarafından finanse edilen en aktif projelerinden biri, rulodan ruloya baskı sırasında hızla biriktirildikleri için perovskit kristallerinin büyümesini ölçebilen yerinde araçlar geliştiriyor. MacKenzie'nin grubu, Yeryüzünde Bol Malzeme (JCDREAM) araştırması, güneş ışığının hücreye girmesini engellemeden perovskit güneş pillerinden elektrik akımını çekmek için yeni elektrotlar geliştirmek için dünyanın en yüksek çözünürlüklü yazıcısını da kullanıyor.
Washington Clean Energy Testbeds Teknik Direktörü J. Devin MacKenzie, Testbeds'in esnek elektronikler için çok aşamalı rulodan ruloya yazıcısını gösteriyor. (Temiz Enerji Enstitüsü)
