מקור: cei.washington.edu/
מהו פרוסקיט
פרוסקיט הוא חומר בעל מבנה גבישי זהה למינרל תחמוצת סידן טיטניום, גביש הפרובסקיט שהתגלה לראשונה. בדרך כלל, לתרכובות פרוסקיט יש נוסחה כימית ABX3, כאשר 'A' ו-'B' מייצגים קטיונים ו-X הוא אניון שנקשר לשניהם. ניתן לשלב מספר רב של אלמנטים שונים יחד כדי ליצור מבני perovskite. באמצעות גמישות קומפוזיציה זו, מדענים יכולים לעצב גבישי פרוסקיט שיהיו להם מגוון רחב של מאפיינים פיזיים, אופטיים וחשמליים. גבישי פרוסקיט נמצאים היום במכונות אולטרסאונד, שבבי זיכרון, ועכשיו - תאים סולאריים.
סכימה של מבנה גביש פרובסקיט. (ויקימדיה קומונס)
יישומי אנרגיה נקייה של פרוסקיטים
כל התאים הסולאריים הפוטו-וולטאיים מסתמכים על מוליכים למחצה - חומרים באמצע בין מבודדים חשמליים כמו זכוכית ומוליכים מתכתיים כמו נחושת - כדי להפוך את האנרגיה מאור לחשמל. אור השמש מעורר אלקטרונים בחומר המוליך למחצה, הזורמים אל אלקטרודות מוליכות ומייצרים זרם חשמלי.
הסיליקון הוא החומר המוליך למחצה העיקרי בשימוש בתאים סולאריים מאז שנות ה-50, שכן תכונות המוליכות למחצה שלו מתיישבות היטב עם הספקטרום של קרני השמש והוא שופע ויציב יחסית. עם זאת, גבישי הסיליקון הגדולים המשמשים בפאנלים סולאריים קונבנציונליים דורשים תהליך ייצור יקר ורב-שלבי המנצל הרבה אנרגיה. בחיפוש אחר חלופה, מדענים רתמו את יכולת הכוונון של פרוסקיטים ליצירת מוליכים למחצה בעלי תכונות דומות לסיליקון. ניתן לייצר תאים סולריים מסוג Perovskite באמצעות טכניקות פשוטות ותוספות, כמו הדפסה, תמורת חלק מהעלות והאנרגיה. בגלל גמישות ההרכב של פרוסקיטים, ניתן גם לכוונן אותם כך שיתאימו באופן אידיאלי לספקטרום השמש.
בשנת 2012, חוקרים גילו לראשונה כיצד ליצור תא סולארי פרובסקיט יציב עם סרט דק עם יעילות המרת פוטון לאלקטרון אור מעל 10%, תוך שימוש בפרוסקיטים של עופרת הליד כשכבה סופגת האור. מאז, יעילות ההמרה של אור שמש לחשמל של תאים סולריים פרוסקיט זינקה שחקים, כאשר שיא המעבדה עומד על 25.2%. החוקרים משלבים גם תאים סולריים פרוסקיט עם תאים סולאריים סיליקון קונבנציונליים - יעילות שיא עבור תאי טנדם "פרוסקיט על סיליקון" אלה עומדת כיום על 29.1% (עובר את השיא של 27% עבור תאי סיליקון קונבנציונליים) ועולה במהירות. עם הזינוק המהיר הזה ביעילות התא, תאים סולריים פרוסקיט ותאים סולאריים טנדם פרוסקיט עשויים להפוך בקרוב לחלופות זולות ויעילות ביותר לתאי סולרי סיליקון קונבנציונליים.
חתך של תא סולארי פרוסקיט. (מכון אנרגיה נקייה)
מהן כמה יעדי מחקר עדכניים?
בעוד שתאים סולריים של פרוסקיט, כולל פרוסקיט על טנדמים מסיליקון, ממוסחרים על ידי עשרות חברות ברחבי העולם, עדיין יש להתמודד עם אתגרים בסיסיים של מדע והנדסה שיכולים לשפר את הביצועים, האמינות והייצור שלהם.
כמה חוקרי פרוסקיט ממשיכים לדחוף את יעילות ההמרה על ידי אפיון פגמים בפרובסקיט. בעוד שמוליכים למחצה פרוסקיט סובלניים להפליא לפגמים, פגמים עדיין - משפיעים לרעה על הביצועים - במיוחד אלו המתרחשים על פני השכבה הפעילה. חוקרים אחרים בוחנים ניסוחים כימיים חדשים של פרוסקיט, הן כדי לכוונן את התכונות האלקטרוניות שלהם עבור יישומים ספציפיים (כמו ערימות תאים טנדם), או לשפר עוד יותר את היציבות ואת משך חייהם.
החוקרים עובדים גם על עיצובים חדשים של תאים, אסטרטגיות אנקפסולציה חדשות להגנה על פרוסקיטים מהסביבה, וכדי להבין מסלולי פירוק בסיסיים כדי שיוכלו להשתמש במחקרי הזדקנות מואצת כדי לחזות כיצד תאים סולריים פרוסקיט יחזיקו מעמד על גגות. אחרים בוחנים במהירות מגוון תהליכי ייצור, כולל כיצד להתאים את "דיו" הפרובסקיט לשיטות הדפסה בקנה מידה גדול. לבסוף, בעוד שהפרוסקיטים בעלי הביצועים הטובים ביותר מיוצרים כיום עם כמות קטנה של עופרת, החוקרים בוחנים גם קומפוזיציות חלופיות ואסטרטגיות אנקפסולציה חדשות, על מנת להפחית את החששות הקשורים לרעילות עופרת.
איך CEI מתקדם פרוסקיטים?
גבישי פרוסקיט מציגים לעתים קרובות פגמים בקנה מידה אטומי שיכול להפחית את יעילות ההמרה הסולארית. המדען הראשי של CEI ופרופסור לכימיה דייוויד ג'ינג'ר פיתח טכניקות "פסיבציה", וטיפל בפרוסקיטים בתרכובות כימיות שונות כדי לרפא את הפגמים הללו. אבל כאשר גבישי פרוסקיט מורכבים לתאים סולאריים, האלקטרודות האוספות זרם יכולות ליצור פגמים נוספים. בשנת 2019, ג'ינג'ר ומשתפי פעולה בג'ורג'יה טק קיבלו מימון ממשרד טכנולוגיות האנרגיה הסולארית (SETO) של משרד האנרגיה האמריקני לפיתוח אסטרטגיות פאסיביות חדשות וחומרים חדשים לאיסוף מטענים, המאפשרים לתאים סולאריים פרוסקיט למצות את מלוא פוטנציאל היעילות שלהם ועדיין להישאר תואמים עם ייצור בעלות נמוכה.
פרופסור לכימיה דניאל גמלין וקבוצתו שואפים לשנות תאי סיליקון סולאריים עם ציפוי פרוסקיט כדי לאסוף פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה של אור כחול בצורה יעילה יותר, תוך עקיפת הגבול התיאורטי של המרה של 33% עבור תאי סיליקון רגילים. גיימלין וצוותו פיתחו נקודות קוונטיות פרוסקיט - חלקיקים זעירים קטנים פי אלפיים משערת אדם - שיכולות לספוג פוטונים עתירי אנרגיה ולפלוט פי שניים פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה, תהליך המכונה "חיתוך קוונטי". כל פוטון שנקלט בתא סולארי מייצר אלקטרון אחד, כך שציפוי הנקודות הקוונטית פרוסקיט יכול להגביר באופן דרמטי את יעילות ההמרה.
גיימלין והצוות שלו הקימו חברת ספין-אוף בשם BlueDot Photonic כדי למסחר את הטכנולוגיה. במימון מ-SETO, Gamelin ו-BlueDot מפתחות טכניקות שיקוע ליצירת סרטים דקים של חומרי פרוסקיט עבור תאים סולאריים בשטח גדול ולשיפור תאים סולריים סיליקון קונבנציונליים.
פרופסור להנדסה כימית יו הילהאוס משתמש באלגוריתמים של למידת מכונה כדי לסייע במחקר של פרוסקיטים. באמצעות photoluminescence שנלכדה על ידי וידאו במהירות גבוהה, Hillhouse וקבוצתו בודקים מגוון של פרוסקיטים היברידיים ליציבות ארוכת טווח. ניסויים אלה מייצרים מערכי נתונים עצומים, אך באמצעות למידת מכונה, הם שואפים ליצור מודל חיזוי של השפלה עבור תאים סולאריים פרוסקיט. מודל זה יכול לעזור להם לייעל את האיפור הכימי ואת המבנה של תא סולארי פרוסקיט ליציבות ארוכת טווח - מחסום מרכזי למסחור.
ב-Washington Clean Energy Testbeds, מתקן מעבדה בגישה פתוחה המופעל על ידי CEI, חוקרים ויזמים יכולים להשתמש בציוד חדיש לפיתוח, בדיקה והרחבה של טכנולוגיות כמו תאים סולריים פרוסקיט. באמצעות מדפסת גליל לגלגול ב-Testbeds, ניתן להדפיס צבעי פרובסקיט בטמפרטורות נמוכות על גבי מצעים גמישים. המנהל הטכני של מיטות מבחן J. דווין מקנזי, פרופסור למדעי החומרים& הנדסה והנדסת מכונות ב-UW, היא מומחית לחומרים וטכניקות לייצור עם תפוקה גבוהה וטביעת רגל פחמנית נמוכה. אחד הפרויקטים הפעילים ביותר של קבוצתו, הממומן גם על ידי SETO, הוא פיתוח מכשירים באתר המסוגלים למדוד את הצמיחה של גבישי פרוסקיט כאשר הם מופקדים במהירות במהלך הדפסה מגלגל לגליל. עם תמיכה מהמרכז המשותף לפיתוח ו המחקר של חומרים שופעי כדור הארץ (JCDREAM), הקבוצה של מקנזי משתמשת גם במדפסת ברזולוציה הגבוהה ביותר בעולם כדי לפתח אלקטרודות חדשות כדי למשוך זרם חשמלי מתאי שמש פרוסקיט מבלי לחסום את כניסת אור השמש לתא.
המנהל הטכני של Washington Clean Energy Testbeds, J. Devin MacKenzie, מדגים מדפסת רול-לגליל רב-שלבית של Testbeds עבור אלקטרוניקה גמישה. (מכון אנרגיה נקייה)
