แผงเซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite

สารที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักกันมานานกว่าร้อยปีเท่านั้นในวันนี้ในช่วงต้นศตวรรษที่ XXI กลายเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ราคาถูกและมีประสิทธิภาพ Perovskite หรือแคลเซียม titanate พบครั้งแรกในรูปแบบของแร่โดยนักธรณีวิทยาชาวเยอรมันกุสตาฟโรซาในเทือกเขาอูราลในปี ค.ศ. 1839 และตั้งชื่อตามเคาต์เลฟอเลคเซวิชเปอร์อฟสกี้รัฐบุรุษผู้มีชื่อเสียงและนักสะสมแร่ธาตุ บทบาทของซิลิคอนทางเลือกในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์

ในฐานะที่เป็นสารจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้แคลเซียมไททาเนตถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในฐานะที่เป็นไดอิเล็กตริกสำหรับตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น และตอนนี้พวกเขากำลังพยายามนำไปใช้เพื่อสร้างแผงโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากปรากฎว่าวัสดุนี้ดูดซับแสงได้อย่างสมบูรณ์แบบ

สามัญยาวแบบดั้งเดิม แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน ที่ความหนา 180 ไมครอนพวกมันดูดซับแสงได้มากเท่าที่ perovskite จะดูดซับที่ความหนาเพียง 1 ไมครอน Perovskite เช่นเดียวกับซิลิคอนเป็นเซมิคอนดักเตอร์และมันถ่ายโอนประจุไฟฟ้าในลักษณะเดียวกันภายใต้อิทธิพลของแสง แต่สเปกตรัมของแสงที่แปลงเป็นไฟฟ้าใน perovskite นั้นกว้างกว่าซิลิคอน

โครงสร้างของสารผลึกของแคลเซียมไททาเนตนั้นเหมือนกับโครงสร้างของแร่ perovskite ดังนั้นชื่อของพวกมันจึงเหมือนกัน และนี่คือสารที่มีอยู่ในสถานที่ชั้นนำแห่งหนึ่งในการจัดอันดับเส้นทางที่เหมาะสมสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์

ประเด็นก็คือแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนมีราคาเฉลี่ย 75 เซนต์ต่อ 1 กิโลวัตต์ในวันนี้และแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ perovskite จะลดค่าใช้จ่ายลงเหลือ 10-15 เซนต์ต่อ 1 กิโลวัตต์นั่นคือเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ของ perovskite ใน 5-7 เวลาถูกกว่าซิลิคอนทั้งในการผลิตแบตเตอรี่และในการดำเนินงานของพวกเขาและปริมาณของการผลิตไฟฟ้าจะเหมือนกัน

และสิ่งนี้แม้จะมีข้อเท็จจริงที่ว่านักวิเคราะห์อุตสาหกรรมพลังงานอ้างว่ามีค่าใช้จ่าย 50 เซ็นต์ต่อ 1 กิโลวัตต์ แต่พลังงานแสงอาทิตย์ก็สามารถแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ นั่นคือการเปลี่ยนไปใช้ perovskite ในระดับโลกจะช่วยลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าได้หลายครั้งในขณะที่กระบวนการผลิตของแผงตัวเองจะง่ายมาก

การศึกษาเพื่อประเมินและปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ perovskite นั้นได้ดำเนินการในหลายประเทศ: ในออสเตรเลีย, Martin Green, ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์, Michael Gretzel, ในสหรัฐอเมริกา, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day, และเกาหลี, Sang Sang Il นักวิจัยกล่าวด้วยเสียงเดียวเกี่ยวกับต้นทุนที่ต่ำและประสิทธิภาพสูงของเทคโนโลยีที่มีแนวโน้ม

Michael Gretzel ให้เหตุผลว่าประสิทธิภาพของเขาที่ 15% สามารถเพิ่มเป็น 25% ได้อย่างง่ายดายและเซลล์สุริยะที่มีราคาไม่แพงจากปัจจุบันที่มีอยู่ไม่ถึง 15% เป็นครั้งแรกในปี 2009 เมื่อพวกเขากำลังพูดถึงความเป็นไปได้ของการใช้ perovskite สำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับประสิทธิภาพ 3.5% และเซลล์มีอายุสั้นเนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ละลาย perovskite และทันทีที่นักวิทยาศาสตร์มีเวลาทำการวัดแบตเตอรี่จะหยุดทำงาน

อย่างไรก็ตามหลังจากสามปีที่ผ่านมาอิเล็กโทรไลต์ของเหลวถูกแทนที่ด้วยของแข็งและเซลล์ก็มีเสถียรภาพมากขึ้นและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในตอนแรกและเพิ่มเป็นสองเท่าอีกครั้ง ชั้นสารตั้งต้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหลายชั้นซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นเม็ดสีแก้ปัญหาและเปิดโอกาส ขั้นตอนในการปรับปรุงประสิทธิภาพไม่ได้หยุดอยู่จนถึงทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพมาตรฐานที่ให้บริการเพื่อปรับปรุงสารตั้งต้นของซิลิคอน

Michael Gretzel มั่นใจว่าประสิทธิภาพ 25% จะนำไปสู่การปฏิวัติพลังงานแสงอาทิตย์ศาสตราจารย์มาร์ตินกรีนหนึ่งในผู้บุกเบิกการวิจัยอ้างว่าแบตเตอรี่ปราศจากซิลิกอนนั้นง่ายต่อการผลิตและมีประสิทธิภาพในการใช้งานซึ่งมีความมั่นใจอย่างแน่นอนว่าอนาคตของแผงโซลาร์เซลล์บน Perovskite นั้นสดใสเพราะประมาณการเบื้องต้นแล้วคาดการณ์ว่า เวลา

กลุ่มนักวิจัยจากประเทศเกาหลีนำโดย Sok Sang Il พัฒนาสูตรของตัวเองโดยการผสมแอมโมเนียมโบรไมด์กับตะกั่ว formamidine iodide นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในโครงสร้าง perovskite ที่พวกเขาตั้งค่าประสิทธิภาพการบันทึกที่ 17.9% การใช้ส่วนผสมจะช่วยให้การพิมพ์ของเซลล์แสงอาทิตย์และค่าใช้จ่ายของพวกเขาจะลดลงต่อไป ปัญหายังคงอยู่ - วัสดุจะละลายในน้ำนอกจากนี้ขนาดของเซลล์ในการทดสอบไม่เกิน 10 ตารางมิลลิเมตรดังนั้นการวิจัยยังคงดำเนินต่อไป

กระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite ดูเหมือนจะเป็นเรื่องง่าย ของเหลวจะถูกฉีดลงบนพื้นผิวหรือนำไปใช้ในรูปแบบของไอน้ำซึ่งเป็นเรื่องง่ายมากที่จะใช้เทคโนโลยี วัสดุหลายชั้นถูกนำไปใช้กับโลหะฟอยล์หรือแก้วซึ่งหนึ่งในนั้นคือ perovskite

จำเป็นต้องมีวัสดุอื่น ๆ ที่นี่เพื่ออำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในองค์ประกอบ กระบวนการผลิตใกล้เคียงกับอุดมคติ Henry Saint นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอ๊อกซฟอร์ดซึ่งทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์ perovskite ในสหรัฐอเมริกามีความมั่นใจว่าชั้นของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะถูกนำไปใช้อย่างง่ายดายเหมือนกับการทาสีบนพื้นผิวปกติ

แม้จะมีกลุ่มเป้าหมายเกิดขึ้นนักวิทยาศาสตร์ก็ถูกแบ่งออกเป็นสองค่าย อดีตสนับสนุนการปรับปรุงแบตเตอรี่ซิลิกอนที่ได้กลายเป็นแบบดั้งเดิมในขณะที่คนอื่นสนับสนุนการสร้างใหม่ที่สมบูรณ์และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้นมาร์ตินกรีนจึงเชื่อว่าสามารถใช้ perovskite เป็นส่วนเสริมของแบตเตอรี่ซิลิกอนได้โดยการรวมซิลิคอนกับ perovskite ซึ่งจะช่วยลดค่าใช้จ่ายของการผลิตไฟฟ้าวัตต์โดยไม่สูญเสียจำนวนมากสำหรับอุตสาหกรรมซิลิคอน ในทางตรงกันข้าม Michael Gretzel เชื่อว่าการพัฒนาใหม่มีความสำคัญและค่าใช้จ่ายในการเพิ่มประสิทธิภาพของโฟโตเซลล์ใหม่จะจ่ายออกไปหลายครั้ง

บริษัท หลายแห่งกำลังดำเนินการเกี่ยวกับการดำเนินการเชิงพาณิชย์ของผลิตภัณฑ์เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าความเป็นไปได้ของ perovskite เพิ่งเริ่มได้รับการยอมรับ แต่ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในสาขาพลังงานแสงอาทิตย์ได้หันมาให้ความสนใจต่ออนาคตแล้ว บริษัท ในออสเตรเลียและตุรกีรวมกันเข้าหาการจำหน่ายแผงโซลาร์เซลล์ perovskite เชิงพาณิชย์และตามการคาดการณ์ภายในปี 2561 จะมีการนำเสนอในตลาดโลก

แม้จะมีการมองโลกในแง่ดีของ บริษัท บางแห่ง แต่ประสบการณ์ก็แสดงให้เห็นว่าโดยปกติแล้วจะใช้เวลาสิบปีกว่าเทคโนโลยีใหม่จะเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการสู่ตลาดและในช่วงเวลานี้แบตเตอรี่ซิลิกอนอาจแซงหน้า perovskite ได้ Gretzel กำลังขายใบอนุญาตสำหรับเทคโนโลยีใหม่ให้กับ บริษัท ที่ตั้งใจจะทำตามวิธีดั้งเดิมของซิลิคอน

การแข่งขันในตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ก็สูงเช่นกันและผู้เล่นใหม่ทุกคนต้องเผชิญกับมัน ค่าใช้จ่ายของแผงซิลิคอนจะลดลงและตามที่นักวิเคราะห์บางคนก็สามารถลดลงถึง 25 เซ็นต์ต่อ 1 กิโลวัตต์ซึ่งกีดกันผลประโยชน์ของเทคโนโลยี perovskite อย่างสมบูรณ์

การปรากฏตัวของตะกั่วจำนวนเล็กน้อยในเม็ดสีซึ่งเป็นพิษยังคงเป็นปัญหาอยู่ การศึกษาทดลองกำลังจะเกิดขึ้นซึ่งจะเผยให้เห็นว่าพิษ perovskite เป็นอย่างไร ควรให้ความสนใจกับการกำจัดแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วเช่นเดียวกับแบตเตอรี่รถยนต์สตาร์ท แต่โดยหลักการแล้วสามารถใช้ดีบุกหรือสิ่งของที่คล้ายกันแทนตะกั่วได้

ในขณะเดียวกันนักวิจัยจากโอไฮโอนำโดย Leaming Dai ตั้งค่าเกี่ยวกับรถยนต์ไฟฟ้าด้วยการใช้แผงโซลาร์เซลล์ perovskite พวกเขาพัฒนาการผสมผสานที่เป็นประโยชน์ที่สุดของแผงโซลาร์เซลล์กับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามากกว่าที่เคยเป็นมา

ด้วยการเชื่อมต่อแบตเตอรี่ perovskite สี่ก้อนเข้ากับแบตเตอรี่ลิเธียมนักวิทยาศาสตร์ได้รับประสิทธิภาพที่ 7.8% ในการกำหนดค่าที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจนถึงปัจจุบันซึ่งเหนือกว่าโซลูชันก่อนหน้าสำหรับการรวมเซลล์แสงอาทิตย์เข้ากับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่

แผงหลายชั้นได้เพิ่มความหนาแน่นและความเสถียรของพลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ การทดสอบแสดงให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงของ perovskite สามชั้นหากต้องการให้กลายเป็นภาพยนตร์หนึ่งเรื่อง ด้วยพื้นที่เซลล์เดียวไม่เกิน 10 ตารางมม. นักวิจัยได้รับประสิทธิภาพ 12.65% ของตัวแปลงขนาดเหรียญ แต่เมื่อคำนึงถึงการแปลงและการเก็บพลังงานพลังงานนั้นมีประสิทธิภาพ 7.8% ในโหมดวงจร

นักพัฒนาระบบดังกล่าวจะสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าได้ในอนาคตไม่เพียง แต่จะติดตั้งในรูปแบบของฟิล์มที่ยืดหยุ่นบนร่างกาย เทคโนโลยีดูเหมือนจะเหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

ที่โดดเด่นคือความสามารถของ perovskite ในการควบคุม Felix Deschler นักวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ค้นพบว่าเพอร์วิสต์มีสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่อแสงเข้าสู่วัสดุพลังงานโฟตอนไม่เพียง แต่แปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าส่วนหนึ่งของประจุจะถูกเปลี่ยนกลับไปเป็นโฟตอน

หากพาเนลสามารถนำโฟตอนเหล่านี้กลับมาใช้ใหม่พลังงานที่รวบรวมได้จะยิ่งใหญ่ขึ้น กลุ่มของ Deshler ทำการทดลองซึ่งลำแสงเลเซอร์พุ่งไปที่ส่วน perovskite หนา 0.5 ไมครอนและแสงถูกปล่อยออกมาจากที่อื่นในตัวอย่าง ยกตัวอย่างเช่นซิลิคอนไม่มีความสามารถในการถ่ายโอนพลังงานภายในตัวมันเองและปล่อยออกมาอีกครั้ง

ดังนั้นโอกาสสำหรับ perovskite นั้นมีขนาดใหญ่มากและใครจะรู้ว่ามันอาจจะเป็นช่วงเวลาที่ทุก ๆ บ้านและรถยนต์ทุกคันจะได้รับการติดตั้งแบตเตอรี่ perovskite เพราะมันจะกลายเป็นประโยชน์เชิงเศรษฐกิจและไม่แนะนำให้ทำมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม