Warum Perowskite Solarzellen zu neuen Höhen münden könnten

Boston, MA (SPX), 17. Juli 2022 Perowskite versprechen die Herstellung von Solarmodulen, die sich leichtgewichtig hinaus den meisten Oberflächen lagern lassen, einschließlich flexibler und strukturierter Oberflächen. Selbige Materialien wären außerdem leichtgewichtig, fade in jener Herstellung und so effizient wie die heute führenden Photovoltaikmaterialien, zusammen mit denen es sich hauptsächlich um Silizium handelt. Sie sind Gegenstand zunehmender Wissenschaft und Investitionen, hingegen Unternehmen, die ihr Potenzial nutzen wollen, sollen manche verbleibende Hürden schlagen, zuvor Solarzellen hinaus Perowskitbasis kommerziell wettbewerbsfähig sein können.

Welcher Terminus technicus Perowskit bezieht sich nicht hinaus ein bestimmtes Werkstoff wie Silizium oder Cadmiumtellurid, andere führende Konkurrenten im Staatsgut jener Photovoltaik, sondern hinaus eine ganze Familie von Verbindungen. Die Perowskit-Familie von Solarmaterialien ist nachher ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit einem Sprudel namens Perowskit geheißen, dies 1839 entdeckt und nachher dem russischen Mineralogen LA Perovski geheißen wurde.

Dies ursprüngliche Sprudel Perowskit, Calciumtitanoxid (CaTiO3), hat eine charakteristische Kristallkonfiguration. Es hat eine dreiteilige Struktur, deren Komponenten mit A, B und X bezeichnet wurden, in jener Gitternetz jener verschiedenen Komponenten verschachtelt sind. Die Familie jener Perowskite besteht aus den vielen möglichen Kombinationen von Elementen oder Molekülen, die jede jener drei Komponenten kassieren und eine Struktur repräsentieren können, die jener des ursprünglichen Perowskits selbst homolog ist. (Wenige Forscher spuren sogar kleine Menge die Regulieren, während sie andere Kristallstrukturen mit ähnlichen Elementen „Perowskite“ nennen, obwohl dies von Kristallographen verpönt ist.)

„Sie können Atome und Moleküle mit einigen Einschränkungen in die Struktur vermengen und zuschneiden. Wenn Sie zum Beispiel versuchen, ein zu großes Molekül in die Struktur zu stecken, verzerren Sie es. Schließlich könnten Sie dazu münden, dass sich jener 3D-Kristall in trennt eine 2D-Schichtstruktur oder die geordnete Struktur ganz verlieren“, sagt Tonio Buonassisi, Professor zum Besten von Maschinenbau am MIT und Rektor des Photovoltaics Research Laboratory. „Perowskite sind hochgradig abstimmbar, wie eine Weise Kristallstruktur zum Selberbauen“, sagt er.

Selbige Struktur aus verflochtenen Gittern besteht aus Ionen oder geladenen Molekülen, von denen zwei (A und B) positiv geladen und dies andere (X) negativ geladen sind. Die A- und B-Ionen nach sich ziehen typischerweise ziemlich unterschiedliche Größen, wodurch A größer ist.

Intrinsisch jener Gesamtkategorie jener Perowskite gibt es eine Schlange von Typen, darunter Metalloxid-Perowskite, die Anwendungen in jener Katalyse und zusammen mit jener Energiespeicherung und -umwandlung gefunden nach sich ziehen, zum Beispiel in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien. Gleichwohl laut Buonassisi liegt ein Hauptaugenmerk jener Forschungsaktivitäten seitdem mehr qua einem Jahrzehnt hinaus Bleihalogenid-Perowskiten.

Intrinsisch dieser Kategorie gibt es immer noch eine Legion von Möglichkeiten, und Labore hinaus jener ganzen Welt rennen durch die mühsame Arbeit, die Variationen zu finden, die die beste Leistung in Bezug hinaus Eta, Preis und Haltbarkeit zeigen – welches bisher die größte Herausforderung war von den dreien.

Viele Teams nach sich ziehen sich selbst hinaus Varianten konzentriert, die die Verwendung von Pb zurücksetzen, um seine Umweltauswirkungen zu vermeiden. Buonassisi merkt jedoch an, dass „sich die hinaus Pb basierenden Geräte im Laufe jener Zeit in ihrer Leistung ständig verbessern und keine jener anderen Kompositionen in Bezug hinaus die elektronische Leistung nahe kommt“. Die Arbeit an jener Exploration von Alternativen geht weiter, hingegen derzeit kann keine mit den Bleihalogenid-Versionen nachkommen.

Einer jener großen Vorteile, die Perowskite offenstehen, ist ihre große Toleranz gegensätzlich Defekten in jener Struktur, sagt er. Im Kontrast zu Silizium, dies eine extrem hohe Reinheit erfordert, um in elektronischen Geräten gut zu tun, können Perowskite selbst mit zahlreichen Unvollkommenheiten und Verunreinigungen gut tun.

Die Suche nachher vielversprechenden neuen Kandidatenzusammensetzungen zum Besten von Perowskite ist ein kleinster Teil wie die Suche nachher jener Nadel im Schober, hingegen kürzlich nach sich ziehen Forscher ein maschinelles Lernsystem entwickelt, dies diesen Prozess erheblich rationalisieren kann. Dieser neue Konzept könnte zu einer viel schnelleren Evolution neuer Alternativen münden, sagt Buonassisi, jener Mitautor dieser Studie war.

Während Perowskite weiterhin vielversprechend sind und mehrere Unternehmen sich schon hinaus den Beginn einer kommerziellen Produktion vorbereiten, bleibt die Haltbarkeit dies größte Hindernis, dem sie gegenüberstehen. Während Silizium-Solarmodule nachher 25 Jahren noch solange bis zu 90 von Hundert ihrer Leistung behalten, zusammensetzen sich Perowskite viel schneller ab. Es wurden große Fortschritte erzielt – erste Probe hielten nur wenige Zahlungsfrist aufschieben, dann Wochen oder Monate, hingegen neuere Formulierungen nach sich ziehen eine nutzbare Nutzungsdauer von solange bis zu einigen Jahren, probat zum Besten von manche Anwendungen, zusammen mit denen Langlebigkeit nicht wesentlich ist.

Basta Forschungssicht, sagt Buonassisi, ist ein Vorteil von Perowskiten, dass sie im Laboratorium relativ reibungslos herzustellen sind – die chemischen Inhaltsstoffe fügen sich leichtgewichtig zusammen. Gleichwohl dies ist selbst ihre Kehrseite: „Dies Werkstoff lässt sich zusammen mit Raumtemperatur sehr leichtgewichtig zusammenfügen“, sagt er, „hingegen es löst sich selbst sehr leichtgewichtig zusammen mit Raumtemperatur. Easy come, easy go!“

Um dieses Problem zu trennen, zusammenfassen sich die meisten Forscher hinaus die Verwendung verschiedener Arten von Schutzmaterialien, um den Perowskit einzukapseln und ihn vor Luft und Feuchtigkeit zu schützen. Andere untersuchen jedoch die genauen Mechanismen, die zu diesem Entlassung münden, in jener Hoffnung, Formulierungen oder Behandlungen zu finden, die von Natur aus robuster sind. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass ein Prozess namens Autokatalyse maßgeblich zum Besten von den Zusammenbruch zuständig ist.

Sowie zusammen mit jener Autokatalyse ein Teil des Materials zu zerfallen beginnt, wirken seine Reaktionsprodukte qua Katalysatoren, um mit dem Entlassung jener benachbarten Teile jener Struktur zu beginnen, und eine außer Test geratene Reaktion beginnt. Ein ähnliches Problem bestand in jener frühen Wissenschaft zu einigen anderen elektronischen Materialien wie organischen Leuchtdioden (OLEDs) und wurde schließlich durch Hinzufügen zusätzlicher Reinigungsschritte zu den Rohmaterialien gelöst, sodass eine ähnliche Lösungskonzept im Kasus von gefunden werden kann Perowskite, schlägt Buonassisi vor.

Buonassisi und seine Kollegen nach sich ziehen kürzlich eine Studie verschlossen, die zeigt, dass Perowskite, wenn sie eine nutzbare Nutzungsdauer von mindestens einem Jahrzehnt gelingen, dank ihrer viel niedrigeren Anschaffungskosten ausreichen würden, um sie qua Ersatzmittel zum Besten von Silizium in großen, Solarparks skalieren.

Insgesamt seien die Fortschritte zusammen mit jener Evolution von Perowskiten beeindruckend und ermutigend gewesen, sagt er. In nur wenigen Jahren Arbeit hat es schon Wirkungsgrade erreicht, die mit denen von Cadmiumtellurid (CdTe) vergleichbar sind, „dies es schon viel länger gibt und dies immer noch zu gelingen ist“, sagt er. „Die Leichtigkeit, mit jener solche höheren Leistungen in diesem neuen Werkstoff erreicht werden, ist weitestgehend verblüffend.“ Vergleicht man die Forschungszeit, die aufgewendet wird, um eine Effizienzsteigerung von 1 von Hundert zu gelingen, so sagt er, sei jener Fortschritt zusammen mit Perowskiten etwa 100- solange bis 1000-mal schneller gewesen qua zusammen mit CdTe. „Dies ist einer jener Gründe, warum es so spannend ist“, sagt er.

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