Sumber: cei.washington.edu/
Apa itu perovskite
Perovskit ialah bahan yang mempunyai struktur kristal yang sama dengan mineral kalsium titanium oksida, kristal perovskit yang pertama ditemui. Secara amnya, sebatian perovskit mempunyai formula kimia ABX3, di mana 'A' dan 'B' mewakili kation dan X ialah anion yang terikat kepada kedua-duanya. Sebilangan besar elemen berbeza boleh digabungkan bersama untuk membentuk struktur perovskit. Menggunakan fleksibiliti komposisi ini, saintis boleh mereka bentuk kristal perovskit untuk mempunyai pelbagai jenis ciri fizikal, optikal dan elektrik. Kristal perovskite ditemui hari ini dalam mesin ultrasound, cip memori, dan kini - sel solar.
Skema struktur kristal perovskit. (Wikimedia Commons)
Aplikasi tenaga bersih perovskit
Semua sel solar fotovoltaik bergantung pada semikonduktor — bahan di tengah-tengah antara penebat elektrik seperti kaca dan konduktor logam seperti tembaga — untuk menukar tenaga daripada cahaya kepada elektrik. Cahaya daripada matahari mengujakan elektron dalam bahan semikonduktor, yang mengalir ke dalam elektrod pengalir dan menghasilkan arus elektrik.
Silikon telah menjadi bahan semikonduktor utama yang digunakan dalam sel suria sejak tahun 1950-an, kerana sifat semikonduktornya sejajar dengan spektrum sinar matahari dan ia agak banyak dan stabil. Walau bagaimanapun, kristal silikon besar yang digunakan dalam panel solar konvensional memerlukan proses pembuatan berbilang langkah yang mahal yang menggunakan banyak tenaga. Dalam mencari alternatif, saintis telah memanfaatkan kebolehselarasan perovskit untuk mencipta semikonduktor dengan sifat yang serupa dengan silikon. Sel solar perovskite boleh dihasilkan menggunakan teknik pemendapan aditif yang mudah, seperti percetakan, untuk sebahagian kecil daripada kos dan tenaga. Kerana fleksibiliti komposisi perovskit, ia juga boleh ditala agar sesuai dengan spektrum matahari.
Pada tahun 2012, penyelidik mula-mula menemui cara membuat sel solar perovskit filem nipis yang stabil dengan kecekapan penukaran foton-ke-elektron cahaya melebihi 10%, menggunakan perovskit halida plumbum sebagai lapisan menyerap cahaya. Sejak itu, kecekapan penukaran cahaya matahari kepada kuasa elektrik bagi sel solar perovskite telah meroket, dengan rekod makmal berada pada 25.2%. Penyelidik juga menggabungkan sel solar perovskite dengan sel suria silikon konvensional - kecekapan rekod untuk sel tandem "perovskite pada silikon" ini kini 29.1% (melepasi rekod 27% untuk sel silikon konvensional) dan meningkat dengan pesat. Dengan lonjakan pesat dalam kecekapan sel ini, sel solar perovskite dan sel solar tandem perovskite tidak lama lagi boleh menjadi alternatif yang murah dan sangat cekap kepada sel solar silikon konvensional.
Keratan rentas sel suria perovskit. (Institut Tenaga Bersih)
Apakah beberapa objektif penyelidikan semasa?
Walaupun sel solar perovskite, termasuk perovskite pada tandem silikon, sedang dikomersialkan oleh berpuluh-puluh syarikat di seluruh dunia, masih terdapat cabaran sains dan kejuruteraan asas untuk ditangani yang boleh meningkatkan prestasi, kebolehpercayaan dan kebolehkilangan mereka.
Sesetengah penyelidik perovskite terus mendorong kecekapan penukaran dengan mencirikan kecacatan pada perovskite. Walaupun semikonduktor perovskite sangat tahan terhadap kecacatan, kecacatan masih menjejaskan prestasi secara negatif - terutamanya yang berlaku pada permukaan lapisan aktif. Penyelidik lain sedang meneroka formulasi kimia perovskit baharu, kedua-duanya untuk menyesuaikan sifat elektronik mereka untuk aplikasi tertentu (seperti tindanan sel tandem), atau meningkatkan lagi kestabilan dan jangka hayatnya.
Penyelidik juga sedang mengusahakan reka bentuk sel baharu, strategi pengkapsulan baharu untuk melindungi perovskit daripada persekitaran, dan memahami laluan degradasi asas supaya mereka boleh menggunakan kajian penuaan dipercepatkan untuk meramalkan cara sel solar perovskit akan bertahan di atas bumbung. Yang lain sedang meneroka dengan pantas pelbagai proses pembuatan, termasuk cara menyesuaikan "dakwat" perovskite kepada kaedah pencetakan penyelesaian berskala besar yang telah ditetapkan. Akhir sekali, sementara perovskit berprestasi terbaik hari ini dibuat dengan sejumlah kecil plumbum, penyelidik juga meneroka komposisi alternatif dan strategi pengkapsulan baharu, untuk mengurangkan kebimbangan yang berkaitan dengan ketoksikan plumbum.
Bagaimanakah CEI memajukan perovskit?
Kristal perovskite sering mempamerkan kecacatan skala atom yang boleh mengurangkan kecekapan penukaran suria. Ketua Saintis CEI dan profesor kimia, David Gingertelah membangunkan teknik "pasif", merawat perovskit dengan sebatian kimia yang berbeza untuk menyembuhkan kecacatan ini. Tetapi apabila kristal perovskit dipasang ke dalam sel suria, elektrod pengumpul semasa boleh mencipta kecacatan tambahan. Pada tahun 2019, Ginger dan rakan usaha sama di Georgia Tech menerima pembiayaan daripada Pejabat Teknologi Tenaga Suria (SETO) Jabatan Tenaga AS untuk membangunkan strategi pempasifan baharu dan bahan pengumpulan cas baharu, membolehkan sel solar perovskit mencapai potensi kecekapan penuh mereka sementara masih kekal serasi dengan pembuatan kos rendah.
Profesor Kimia Daniel Gamelin dan kumpulannya mensasarkan untuk mengubah suai sel suria silikon dengan salutan perovskit untuk mengumpul foton tenaga tinggi cahaya biru dengan lebih cekap, memintas had teori penukaran 33% untuk sel silikon konvensional. Gamelin dan pasukannya telah membangunkan titik kuantum perovskite - zarah kecil beribu kali lebih kecil daripada rambut manusia - yang boleh menyerap foton tenaga tinggi dan memancarkan foton tenaga rendah dua kali ganda, satu proses yang dipanggil "pemotongan kuantum." Setiap foton yang diserap oleh sel suria menjana satu elektron, jadi salutan titik kuantum perovskite boleh meningkatkan kecekapan penukaran secara mendadak.
Gamelin dan pasukannya telah membentuk sebuah syarikat spinoff bernama BlueDot Photonics untuk mengkomersialkan teknologi tersebut. Dengan pembiayaan daripada SETO, Gamelin dan BlueDot sedang membangunkan teknik pemendapan untuk mencipta filem nipis bahan perovskit untuk sel suria kawasan besar dan untuk meningkatkan sel suria silikon konvensional.
Profesor kejuruteraan kimia Hugh Hillhouse menggunakan algoritma pembelajaran mesin untuk membantu penyelidikan perovskit. Menggunakan photoluminescence yang ditangkap oleh video berkelajuan tinggi, Hillhouse dan kumpulannya sedang menguji pelbagai perovskit hibrid untuk kestabilan jangka panjang. Eksperimen ini menjana set data yang sangat besar, tetapi dengan menggunakan pembelajaran mesin, mereka menyasarkan untuk menjana model ramalan degradasi untuk sel suria perovskit. Model ini boleh membantu mereka mengoptimumkan solekan kimia dan struktur sel suria perovskite untuk kestabilan jangka panjang — penghalang utama kepada pengkomersilan.
Di theWashington Clean Energy Testbeds, kemudahan makmal akses terbuka yang dikendalikan oleh CEI, penyelidik dan usahawan boleh menggunakan peralatan terkini untuk membangunkan, menguji dan teknologi skala seperti sel solar perovskite. Menggunakan pencetak roll to roll di Testbeds, dakwat perovskite boleh dicetak pada suhu rendah pada substrat fleksibel. Pengarah teknikal testbedsJ. Devin MacKenzie, seorang profesor sains bahan& kejuruteraan dan kejuruteraan mekanikal di UW, ialah pakar dalam bahan dan teknik untuk pembuatan capaian tinggi dan jejak karbon rendah. Salah satu projek paling aktif kumpulannya, juga dibiayai oleh SETO, sedang membangunkan instrumen in situ yang boleh mengukur pertumbuhan kristal perovskit kerana ia sedang didepositkan dengan cepat semasa pencetakan roll-to-roll. Dengan sokongan daripada Pusat Bersama untuk Pembangunan dan Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), kumpulan MacKenzie juga menggunakan pencetak resolusi tertinggi dunia untuk membangunkan elektrod baharu untuk menarik arus elektrik keluar daripada sel suria perovskit tanpa menghalang cahaya matahari daripada memasuki sel.
Pengarah Teknikal Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie menunjukkan pencetak roll-to-roll berbilang peringkat Testbeds untuk elektronik fleksibel. (Institut Tenaga Bersih)
