Sumber:news.mit.edu
Perovskite memegang janji untuk mencipta panel solar yang boleh disimpan dengan mudah pada kebanyakan permukaan, termasuk yang fleksibel dan bertekstur. Bahan-bahan ini juga ringan, murah untuk dihasilkan, dan secekap bahan fotovoltaik terkemuka masa kini, yang kebanyakannya silikon. Mereka menjadi subjek penyelidikan dan pelaburan yang semakin meningkat, tetapi syarikat yang ingin memanfaatkan potensi mereka perlu menangani beberapa halangan yang tinggal sebelum sel solar berasaskan perovskit boleh berdaya saing secara komersial.
Istilah perovskite tidak merujuk kepada bahan tertentu, seperti silikon atau telur kadmium, pesaing utama lain dalam alam fotovoltaik, tetapi kepada seluruh keluarga sebatian. Keluarga bahan suria perovskite dinamakan kerana persamaan strukturnya dengan mineral yang dipanggil perovskite, yang ditemui pada tahun 1839 dan dinamakan sempena ahli mineralogi Rusia LA Perovski.
Perovskit mineral asal, iaitu kalsium titanium oksida (CaTiO3), mempunyai konfigurasi kristal yang tersendiri. Ia mempunyai struktur tiga bahagian, yang komponennya telah dilabelkan A, B dan X, di mana kekisi komponen berbeza dijalin. Keluarga perovskit terdiri daripada banyak kemungkinan gabungan unsur atau molekul yang boleh menduduki setiap tiga komponen dan membentuk struktur yang serupa dengan perovskit asal itu sendiri. (Sesetengah penyelidik juga membengkokkan peraturan sedikit dengan menamakan struktur kristal lain dengan unsur yang serupa "perovskit," walaupun ini tidak disukai oleh ahli kristal.)
"Anda boleh mencampur dan memadankan atom dan molekul ke dalam struktur, dengan beberapa had. Contohnya, jika anda cuba memasukkan molekul yang terlalu besar ke dalam struktur, anda akan memesongkannya. Akhirnya anda mungkin menyebabkan kristal 3D terpisah menjadi struktur berlapis 2D, atau kehilangan struktur tersusun sepenuhnya," kata Tonio Buonassisi, profesor kejuruteraan mekanikal di MIT dan pengarah Makmal Penyelidikan Fotovoltaik. "Perovskite sangat boleh dilaras, seperti struktur kristal jenis pengembaraan-anda-sendiri," katanya.
Struktur kekisi berjalin itu terdiri daripada ion atau molekul bercas, dua daripadanya (A dan B) bercas positif dan satu lagi (X) bercas negatif. Ion A dan B biasanya mempunyai saiz yang agak berbeza, dengan A lebih besar.
Dalam kategori keseluruhan perovskit, terdapat beberapa jenis, termasuk perovskit oksida logam, yang telah menemui aplikasi dalam pemangkinan dan dalam penyimpanan dan penukaran tenaga, seperti dalam sel bahan api dan bateri logam-udara. Tetapi tumpuan utama aktiviti penyelidikan selama lebih daripada satu dekad adalah pada perovskit halida plumbum, menurut Buonassisi berkata.
Dalam kategori itu, masih terdapat banyak kemungkinan, dan makmal di seluruh dunia berlumba melalui kerja yang membosankan untuk cuba mencari variasi yang menunjukkan prestasi terbaik dalam kecekapan, kos dan ketahanan — yang setakat ini merupakan yang paling mencabar daripada ketiga-tiganya.
Banyak pasukan juga telah memberi tumpuan kepada variasi yang menghapuskan penggunaan plumbum, untuk mengelakkan kesan alam sekitar. Walau bagaimanapun, Buonassisi menyatakan bahawa "secara konsisten dari masa ke masa, peranti berasaskan plumbum terus bertambah baik dalam prestasinya, dan tidak ada komposisi lain yang hampir dari segi prestasi elektronik." Usaha diteruskan untuk meneroka alternatif, tetapi buat masa ini tiada siapa yang dapat bersaing dengan versi halida plumbum.
Salah satu kelebihan hebat yang ditawarkan oleh perovskit ialah toleransi besar mereka terhadap kecacatan dalam struktur, katanya. Tidak seperti silikon, yang memerlukan ketulenan yang sangat tinggi untuk berfungsi dengan baik dalam peranti elektronik, perovskit boleh berfungsi dengan baik walaupun dengan banyak ketidaksempurnaan dan kekotoran.
Mencari gubahan calon baharu yang menjanjikan untuk perovskit adalah sedikit seperti mencari jarum dalam timbunan jerami, tetapi baru-baru ini para penyelidik telah menghasilkan sistem pembelajaran mesin yang boleh menyelaraskan proses ini. Pendekatan baharu ini boleh membawa kepada pembangunan alternatif baharu yang lebih pantas, kata Buonassisi, yang merupakan pengarang bersama penyelidikan itu.
Walaupun perovskit terus menunjukkan janji yang hebat, dan beberapa syarikat sudah bersiap sedia untuk memulakan beberapa pengeluaran komersial, ketahanan kekal sebagai halangan terbesar yang mereka hadapi. Walaupun panel solar silikon mengekalkan sehingga 90 peratus daripada keluaran kuasa mereka selepas 25 tahun, perovskit merosot dengan lebih cepat. Kemajuan besar telah dicapai — sampel awal hanya bertahan beberapa jam, kemudian minggu atau bulan, tetapi formulasi yang lebih baharu mempunyai jangka hayat yang boleh digunakan sehingga beberapa tahun, sesuai untuk sesetengah aplikasi yang tidak memerlukan jangka hayat yang panjang.
Dari perspektif penyelidikan, Buonassisi berkata, satu kelebihan perovskit ialah ia agak mudah dibuat di makmal - konstituen kimia mudah berkumpul. Tetapi itu juga kelemahan mereka: "Bahan itu bersatu dengan sangat mudah pada suhu bilik," katanya, "tetapi ia juga mudah pecah pada suhu bilik. Mudah datang, mudah pergi!"
Untuk menangani isu itu, kebanyakan penyelidik memberi tumpuan kepada menggunakan pelbagai jenis bahan pelindung untuk membungkus perovskite, melindunginya daripada pendedahan kepada udara dan kelembapan. Tetapi yang lain sedang mengkaji mekanisme tepat yang membawa kepada kemerosotan itu, dengan harapan dapat mencari formulasi atau rawatan yang lebih mantap. Penemuan utama ialah proses yang dipanggil autocatalysis sebahagian besarnya harus dipersalahkan untuk pecahan.
Dalam autocatalysis, sebaik sahaja satu bahagian bahan mula merosot, produk tindak balasnya bertindak sebagai pemangkin untuk mula merendahkan bahagian jiran struktur, dan tindak balas lari akan berlaku. Masalah yang sama wujud dalam penyelidikan awal pada beberapa bahan elektronik lain, seperti diod pemancar cahaya organik (OLED), dan akhirnya diselesaikan dengan menambahkan langkah penulenan tambahan kepada bahan mentah, jadi penyelesaian yang serupa boleh didapati dalam kes perovskite, Buonassisi mencadangkan.
Buonassisi dan penyelidik bersamanya baru-baru ini menyelesaikan kajian yang menunjukkan bahawa apabila perovskit mencapai jangka hayat yang boleh digunakan sekurang-kurangnya satu dekad, terima kasih kepada kos permulaan yang jauh lebih rendah yang akan mencukupi untuk menjadikannya berdaya maju dari segi ekonomi sebagai pengganti silikon dalam besar, utiliti- ladang solar skala.
Secara keseluruhannya, kemajuan dalam pembangunan perovskit sangat mengagumkan dan menggalakkan, katanya. Dengan hanya beberapa tahun bekerja, ia telah mencapai kecekapan yang setanding dengan tahap yang kadmium telluride (CdTe), "yang telah wujud lebih lama, masih bergelut untuk dicapai," katanya. "Kemudahan prestasi yang lebih tinggi ini dicapai dalam bahan baharu ini hampir mengejutkan." Membandingkan jumlah masa penyelidikan yang dibelanjakan untuk mencapai peningkatan kecekapan sebanyak 1 peratus, katanya, kemajuan pada perovskit berada di antara 100 dan 1,000 kali lebih pantas daripada CdTe. "Itulah salah satu sebab ia sangat menarik, " katanya.