เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ (Perovskite Solar Cell)

 perovskite คืออะไร

Perovskite เป็นวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกเดียวกันกับแร่แคลเซียมไททาเนียมออกไซด์ซึ่งเป็นผลึก perovskite ที่ค้นพบครั้งแรก โดยทั่วไป สารประกอบ perovskite มีสูตรทางเคมี ABX3โดยที่ 'A' และ 'B' เป็นตัวแทนของไอออนบวก และ X เป็นประจุลบที่เกาะติดกันทั้งสอง สามารถรวมองค์ประกอบต่าง ๆ จำนวนมากเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้าง perovskite การใช้ความยืดหยุ่นในการจัดองค์ประกอบนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์ให้มีลักษณะทางกายภาพ ทางแสง และทางไฟฟ้าที่หลากหลาย ปัจจุบันพบผลึก Perovskite ในเครื่องอัลตราซาวนด์ ชิปหน่วยความจำ และปัจจุบันคือเซลล์แสงอาทิตย์

การใช้พลังงานสะอาดของ perovskites

เซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมดพึ่งพาสารกึ่งตัวนำ ซึ่งเป็นวัสดุที่อยู่ตรงกลางระหว่างฉนวนไฟฟ้า เช่น แก้วและตัวนำโลหะ เช่น ทองแดง เพื่อเปลี่ยนพลังงานจากแสงเป็นไฟฟ้า แสงจากดวงอาทิตย์กระตุ้นอิเล็กตรอนในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งไหลเข้าสู่อิเล็กโทรดนำไฟฟ้าและผลิตกระแสไฟฟ้า

ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มาตั้งแต่ปี 1950 เนื่องจากคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์นั้นสอดคล้องกับสเปกตรัมของรังสีดวงอาทิตย์และค่อนข้างอุดมสมบูรณ์และเสถียร อย่างไรก็ตาม คริสตัลซิลิกอนขนาดใหญ่ที่ใช้ในแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปนั้นต้องการกระบวนการผลิตแบบหลายขั้นตอนที่มีราคาแพงและใช้พลังงานมาก ในการค้นหาทางเลือกอื่น นักวิทยาศาสตร์ได้ควบคุมความสามารถในการปรับจูนของ perovskites เพื่อสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกับซิลิกอน เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Perovskite สามารถผลิตได้โดยใช้เทคนิคการเติมสารเติมแต่งที่เรียบง่าย เช่น การพิมพ์ โดยมีต้นทุนและพลังงานเพียงเล็กน้อย เนื่องจากความยืดหยุ่นในการจัดองค์ประกอบของ perovskites พวกมันจึงสามารถปรับให้เข้ากับสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

นปี 2555 นักวิจัยได้ค้นพบวิธีสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางแบบเพอร์รอฟสไคต์ที่มีเสถียรภาพ โดยมีประสิทธิภาพการแปลงโฟตอนเป็นอิเล็กตรอนแบบเบากว่า 10% โดยใช้เลดเฮไลด์เพอรอฟสกีต์เป็นชั้นดูดซับแสง ตั้งแต่นั้นมา ประสิทธิภาพการแปลงจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite ก็พุ่งสูงขึ้น โดยมีสถิติในห้องปฏิบัติการอยู่ที่ 25.2% นักวิจัยยังรวมเซลล์สุริยะ perovskite เข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนแบบเดิม โดยประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์สำหรับเซลล์ควบคู่ "perovskite บนซิลิคอน" เหล่านี้อยู่ที่ 29.1% (สูงกว่าสถิติที่ 27% สำหรับเซลล์ซิลิคอนแบบเดิม) และเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ด้วยประสิทธิภาพของเซลล์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite และเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite tandem อาจกลายเป็นทางเลือกที่ราคาถูกและมีประสิทธิภาพสูงแทนเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนทั่วไปในเร็วๆ นี้

วัตถุประสงค์การวิจัยในปัจจุบันมีอะไรบ้าง?

ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite รวมถึง perovskite บนซิลิคอนควบคู่ กำลังถูกขายในเชิงพาณิชย์โดยบริษัทหลายสิบแห่งทั่วโลก แต่ก็ยังมีความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมขั้นพื้นฐานที่ต้องแก้ไขซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิตได้

นักวิจัย perovskite บางคนยังคงผลักดันประสิทธิภาพการแปลงโดยการระบุลักษณะข้อบกพร่องใน perovskite ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์ของ perovskite สามารถทนต่อข้อบกพร่องได้อย่างน่าทึ่ง แต่ข้อบกพร่องยังคงส่งผลกระทบในทางลบต่อประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวของชั้นที่ใช้งานอยู่ นักวิจัยคนอื่นๆ กำลังสำรวจสูตรทางเคมีของ perovskite ใหม่ ทั้งเพื่อปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมันสำหรับการใช้งานเฉพาะ (เช่น เซลล์แบบเรียงซ้อน) หรือปรับปรุงความเสถียรและอายุการใช้งานให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์ใหม่ กลยุทธ์การห่อหุ้มใหม่เพื่อปกป้อง perovskites จากสิ่งแวดล้อม และเพื่อทำความเข้าใจเส้นทางการย่อยสลายขั้นพื้นฐาน เพื่อให้พวกเขาสามารถใช้การศึกษาการเร่งอายุเพื่อคาดการณ์ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite จะมีอายุการใช้งานบนหลังคาได้อย่างไร คนอื่น ๆ กำลังสำรวจกระบวนการผลิตที่หลากหลายอย่างรวดเร็ว รวมถึงการปรับใช้ "หมึก" ของ perovskite ให้เข้ากับวิธีการพิมพ์โซลูชันขนาดใหญ่ ในที่สุด ในขณะที่ perovskites ที่ทำงานได้ดีที่สุดในปัจจุบันทำด้วยตะกั่วจำนวนเล็กน้อย นักวิจัยยังได้สำรวจองค์ประกอบทางเลือกและกลยุทธ์การห่อหุ้มใหม่ เพื่อลดความกังวลที่เกี่ยวข้องกับความเป็นพิษของตะกั่ว

CEI พัฒนา perovskites อย่างไร?

ผลึก Perovskite มักแสดงข้อบกพร่องในระดับอะตอมซึ่งสามารถลดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ได้ หัวหน้านักวิทยาศาสตร์และศาสตราจารย์ด้านเคมีของ CEI David Gingerhas ได้พัฒนาเทคนิค "การทำให้เป็นฟิล์ม" โดยรักษา perovskites ด้วยสารประกอบทางเคมีต่างๆ เพื่อรักษาข้อบกพร่องเหล่านี้ แต่เมื่อผลึก perovskite ถูกประกอบเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ อิเล็กโทรดที่เก็บกระแสสามารถสร้างข้อบกพร่องเพิ่มเติมได้ ในปี 2019 Ginger และผู้ทำงานร่วมกันที่ Georgia Tech ได้รับเงินทุนจากสำนักงานเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (SETO) เพื่อพัฒนากลยุทธ์การทำให้เป็นฟิล์มใหม่และวัสดุเก็บประจุใหม่ ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ perovskite มีประสิทธิภาพสูงสุดในขณะที่ยังคงเข้ากันได้ ด้วยการผลิตต้นทุนต่ำ

ศาสตราจารย์ด้านเคมี Daniel Gamelin และกลุ่มของเขาตั้งเป้าที่จะปรับเปลี่ยนเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนด้วยสารเคลือบ Perovskite เพื่อรวบรวมโฟตอนพลังงานสูงของแสงสีน้ำเงินได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยข้ามขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 33% ของการแปลงสำหรับเซลล์ซิลิคอนแบบเดิม Gamelin และทีมของเขาได้พัฒนาจุดควอนตัมของ perovskite ซึ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่เล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์หลายพันเท่า ซึ่งสามารถดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานสูงและปล่อยโฟตอนพลังงานต่ำเป็นสองเท่า กระบวนการที่เรียกว่า "การตัดด้วยควอนตัม" โฟตอนแต่ละตัวที่โซลาร์เซลล์ดูดกลืนจะสร้างอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ดังนั้นการเคลือบจุดควอนตัมของ perovskite สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงได้อย่างมาก

Gamelin และทีมของเขาได้ก่อตั้งบริษัท Spinoff ชื่อ BlueDot Photonicsto เพื่อทำการค้าเทคโนโลยีนี้ ด้วยการระดมทุนจาก SETO Gamelin และ BlueDot กำลังพัฒนาเทคนิคการตกตะกอนเพื่อสร้างฟิล์มบางของวัสดุ perovskite สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ในพื้นที่ขนาดใหญ่และสำหรับการปรับปรุงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนทั่วไป

ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี ฮิวจ์ ฮิลเฮาส์ใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อช่วยในการวิจัยเพอร์รอฟสกี การใช้โฟโตลูมิเนสเซนซ์ที่ถ่ายโดยวิดีโอความเร็วสูง Hillhouse และกลุ่มของเขากำลังทดสอบ perovskites ไฮบริดที่หลากหลายเพื่อความเสถียรในระยะยาว การทดลองเหล่านี้สร้างชุดข้อมูลขนาดมหึมา แต่ด้วยการใช้การเรียนรู้ของเครื่อง พวกมันตั้งเป้าที่จะสร้างแบบจำลองการทำนายการเสื่อมสภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite โมเดลนี้สามารถช่วยให้พวกเขาเพิ่มประสิทธิภาพองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite เพื่อความเสถียรในระยะยาว ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการจำหน่าย

ที่ Washington Clean Energy Testbeds สิ่งอำนวยความสะดวกในห้องปฏิบัติการแบบเปิดที่ดำเนินการโดย CEI นักวิจัยและผู้ประกอบการสามารถใช้อุปกรณ์ล้ำสมัยเพื่อพัฒนา ทดสอบ และปรับขนาดเทคโนโลยี เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite การใช้เครื่องพิมพ์แบบม้วนต่อม้วนที่ Testbeds หมึก Perovskite สามารถพิมพ์ที่อุณหภูมิต่ำลงบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ ผู้อำนวยการด้านเทคนิค TestbedsJ. Devin MacKenzie ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์& วิศวกรรมและวิศวกรรมเครื่องกลที่ UW เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุและเทคนิคสำหรับการผลิตปริมาณงานสูงและปริมาณคาร์บอนต่ำ โครงการที่มีความเคลื่อนไหวมากที่สุดกลุ่มหนึ่งในกลุ่มของเขา ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจาก SETO กำลังพัฒนาเครื่องมือในแหล่งกำเนิดที่สามารถวัดการเติบโตของผลึก perovskite ได้ เนื่องจากถูกสะสมอย่างรวดเร็วระหว่างการพิมพ์แบบม้วนต่อม้วน ด้วยการสนับสนุนจากศูนย์ร่วมเพื่อการพัฒนาและ การวิจัยวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ของโลก (JCDREAM) กลุ่มของ MacKenzie ยังใช้เครื่องพิมพ์ที่มีความละเอียดสูงที่สุดในโลกเพื่อพัฒนาอิเล็กโทรดใหม่เพื่อดึงกระแสไฟฟ้าออกจากเซลล์แสงอาทิตย์ของ Perovskite โดยไม่ปิดกั้นแสงแดดไม่ให้เข้าสู่เซลล์