Pervoskit för framtidens billiga, miljövänliga och effektiva tillämpningar inom energiområdet

Perovskitmaterial har snabbt blivit ett av de hetaste områdena i energiforskning och är de mest lovande för utvecklingen av framtidens billiga, miljövänliga och effektiva tillämpningar inom energiområdet.

Vad då Pervoskit?

Perovskit är en klass av material som är ett samlingsnamn för flera material uppbyggda av liknande kristallstrukturer som visar en mängd olika spännande egenskaper som superledning, magnetoresistance och mer.  Dessa lätt syntetiserade material upptäcktes i Uralbergen redan 1839, det tog fram till 2006 när man upptäckte att vissa perovskiter är halvledare och hade en stor potential att avsevärt förbättra solenergiområdet eftersom deras särpräglade struktur gör dem perfekta för att möjliggöra kostnadseffektiv och effektiv energikonvertering.

Pervoskit strukturHur fungerar en pervoskit

Benämningen ”Perovskit” och ”perovskitstruktur” används ofta omväxlande – Då en perovskite är en mineral som består av kalcium, titan och syre i den kemiskaformeln CaTiO3, är en perovskitstruktur något som har den generiska formen ABX3 och samma kristallografiska struktur som perovskit (mineral).

Det enklaste sättet att beskriva en perovskitstruktur är som en kubisk enhetcell en stor atom- eller molekylkatjon (positivt laddad) av typ A i mitten. Kubens hörn upptas sedan av atomer B titanatomer (även positivt laddade katjoner) och kubens ansikten upptas av en mindre atom X med negativ laddning (anjon).

Tillämpningar

Beroende på vilka atomer / molekyler som används i strukturen kan perovskiter ha en imponerande mängd spännande och ovanliga fysikaliska egenskaper, förmåga att absorbera ljus över nästan alla synliga våglängder. Dess elektriska motstånd förändras när de sätts i ett magnetfält och supraledning- leda elektricitet utan motstånd alls. Perovskiterna har därför spännande en hel del spännande potentiella applikationsområden av bränsleceller, solceller, lasrar, minnesapparater och spintronics-applikationer.

Perovskitsolceller

Man har nu kommit till en snabbt framväxande tunnfilm PV-klass kallad den 3: e generationens-PV. Genom nya material har man en potential att öka effektivitet och prestanda i solcellerna. Den här tredje generationen av PV innehåller DSSC, organisk fotovoltaisk (OPV), quantum dot (QD) PV och även perovskite PV.

Pervoskit material självklara tillämpning inom solceller de uppvisar en fantastisk solomvandlingspotential. Man har visat exceptionella framsteg i PV-cellprestanda – från 3,8% 2009 till en certifierad 22% år 2016.

En fotovoltaisk cell absorberar ljus, bildar en exciton vanligtvis i sin elektroniska struktur. Excitonen innefattar en elektron som har blivit uppflyttad till en högre energinivå av en inkommande foton och det positivt laddade hålet det lämnar. Elektronerna och hålen är båda laddningsbärare som rör sig mot en cells anod och katod, ofta genom elektron- och håltransportmaterial när de är anslutna till en krets. Om de når sina elektroder utan att fotonens energi förloras som värme på grund av växelverkan med defekter i kristallen, genereras exempelvis en elektrisk ström.

Perovskitiska material stora energikonvertingsförmåga är beroende på ett brett bandgap med både ett direkt och indirekt bandgap, som har mycket liknande energinivå. Det betyder att elektroner upplever båda typer av bandgap, vilket leder till stark absorption och en ovanligt lång livslängd.  Då perovskiter reagerar på ett bredare spektrum av synliga ljusfrekvenser, leder till att det kan omvandla mer solljus till el än exempelvis kisel.

Dessutom erbjuder perovskite-solceller ytterligare attribut som flexibilitet, materialet är halvtransparent vilket ger en potential att integrera solcellers filmerna på ytor som delvis släpper igenom ljus. Exempelvis kan man förvandla göra tonade fönster som ger skugga från varmt solljus samtidigt som de omvandlar energin till el. Då det är en tunnfilm där de lätta och har låga bearbetningskostnader.

Utmaningen med perovskite solceller är att de inte gillar luftfuktighet och den sönderdelas under solljus. Utmaningen är att förbättra den operativa stabiliteten hos perovskit-solceller utan att minska effektiviteten i energikonverteringen. Det här finns en rad olika vägar som undersöks, främst att ha ett skyddande filmer av olika material.

peLEDPervoskit har en potential att bli utmärkta ljussändare med en potential att som nästa generation av låg kostnad LED-lampor med exceptionell färgrenhet. En lysdiod (LED) är en elektronisk komponent som i huvudsak är en tvåledad halvledarkälla. Det är en anslutningsdiod som avger ljus vid aktivering med en spänning som appliceras på ledningarna, vilket gör att elektroner rekombineras med elektronhål inom enheten, vilket frigör energi i form av fotoner. Denna effekt kallas elektroluminescens, och ljusets färg bestäms av energibandspalten hos den valda halvledaren. Dagens LED-lampor är baserade på direkta bandgap-halvledare, som är relativt dyra att tillverka i stora mängder då de behöver bearbetas vid höga temperaturer och i vakuum.

Perovskites som är direktbandgap halvledare har ett brett optiskt bandgap.  Pervoskit LED (PeLED) avger ljus genom att ström injiceras till en förening där perovskitmaterialet är det aktiva lagret som avger ett mycket starkt ljus som kan ställas in för att avge ljus i olika färger. Utmaningen idag för att få fram PeLED är att elektroner och hål har en svag bindning i de tunna filmerna. Detta innebär att excitoner (elektronhålpar) spontant dissocierar i fria bärare i bulkrekombinationsskiktet, som leder till låg fotoluminescenskvanteffektivitet (PLQE), hög läckström och låg ljusstyrka. Därför måste man hitta sätt att effektivt begränsa elektroner och hål i perovskiten så att laddningsbärarna kan rekombineras och avger ljus effektivt.

Eftersom de kan tilllverkas exempel i roll-to-roll process som redan är etablerad inom tryckeribranschen. Här blandas en lösning med befintliga industriella kemikalier och metaller som inte behöver värmas till höga temperaturer. “Bläcket” upphettas försiktigt och deponeras på tunna filmer som kan vara flexibla eller styva substrat.  Det här gör att man kan massproducera till låga kostnader på nästan vilken yta som helst.

Sammanfattningsvis kan pervoskites revolutionera både solcellsmarknaden och skapa bättre löningar inom en rad andra applikationsområden.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *