ที่มา:news.mit.edu
Perovskites ยึดมั่นในคำมั่นสัญญาในการสร้างแผงโซลาร์เซลล์ที่สามารถติดบนพื้นผิวส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดาย รวมถึงพื้นผิวที่ยืดหยุ่นและพื้นผิว วัสดุเหล่านี้จะมีน้ำหนักเบา ราคาถูกในการผลิต และมีประสิทธิภาพเท่ากับวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ชั้นนำในปัจจุบัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นซิลิคอน พวกเขาเป็นเรื่องของการวิจัยและการลงทุนที่เพิ่มขึ้น แต่ บริษัท ที่ต้องการใช้ประโยชน์จากศักยภาพของพวกเขาจะต้องจัดการกับอุปสรรค์ที่เหลืออยู่ก่อนที่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้เพอรอฟสไกต์จะสามารถแข่งขันในเชิงพาณิชย์ได้
คำว่าเพอรอฟสไคต์ไม่ได้หมายถึงวัสดุเฉพาะ เช่น ซิลิกอนหรือแคดเมียมเทลลูไรด์ ซึ่งเป็นคู่แข่งชั้นนำอื่นๆ ในอาณาจักรเซลล์แสงอาทิตย์ แต่หมายถึงสารประกอบทั้งตระกูล วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์ตระกูล perovskite ได้รับการตั้งชื่อตามความคล้ายคลึงกันทางโครงสร้างกับแร่ที่เรียกว่า perovskite ซึ่งถูกค้นพบในปี 1839 และตั้งชื่อตามนักวิทยาแร่ชาวรัสเซีย LA Perovski
แร่เพอรอฟสไคต์ดั้งเดิมซึ่งเป็นแคลเซียมไททาเนียมออกไซด์ (CaTiO3) มีรูปแบบผลึกที่โดดเด่น มีโครงสร้างสามส่วน ซึ่งส่วนประกอบต่างๆ ได้รับการติดป้ายว่า A, B และ X ซึ่งมีโครงตาข่ายของส่วนประกอบต่างๆ เชื่อมต่อกัน ตระกูลของเพอรอฟสไคต์ประกอบด้วยองค์ประกอบหรือโมเลกุลที่เป็นไปได้มากมายที่สามารถครอบครององค์ประกอบแต่ละส่วนและสร้างโครงสร้างที่คล้ายกับของเพอร์รอฟสไคต์ดั้งเดิม (นักวิจัยบางคนถึงกับแหกกฎเล็กน้อยโดยตั้งชื่อโครงสร้างผลึกอื่นที่มีองค์ประกอบคล้ายกันว่า "perovskites" แม้ว่านักผลึกศาสตร์จะไม่ชอบใจก็ตาม)
"คุณสามารถผสมและจับคู่อะตอมและโมเลกุลเข้ากับโครงสร้างได้โดยมีขีดจำกัดบางอย่าง ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามยัดโมเลกุลที่ใหญ่เกินไปเข้าไปในโครงสร้าง คุณจะทำให้โครงสร้างบิดเบี้ยว ในที่สุด คุณอาจทำให้คริสตัล 3 มิติแยกออกเป็น โครงสร้างแบบเลเยอร์ 2 มิติ หรือสูญเสียโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งไปทั้งหมด" Tonio Buonassisi ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT และผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์กล่าว "Perovskites สามารถปรับแต่งได้สูง เหมือนกับโครงสร้างผลึกประเภทการผจญภัยที่คุณสร้างขึ้นเอง" เขากล่าว
โครงสร้างของโครงตาข่ายแบบอินเทอร์เลซนั้นประกอบด้วยไอออนหรือโมเลกุลที่มีประจุไฟฟ้า สองตัว (A และ B) มีประจุบวก และอีกตัวหนึ่ง (X) มีประจุลบ โดยทั่วไปแล้วไอออน A และ B จะมีขนาดแตกต่างกันค่อนข้างมาก โดยที่ A จะมีขนาดใหญ่กว่า
ภายในหมวดหมู่โดยรวมของเพอรอฟสไคต์นั้นมีอยู่หลายประเภท รวมถึงเพอรอฟสไคต์ที่เป็นโลหะออกไซด์ ซึ่งพบการใช้งานในการเร่งปฏิกิริยาและในการกักเก็บและเปลี่ยนพลังงาน เช่น ในเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่โลหะ-อากาศ Buonassisi กล่าวว่าจุดสนใจหลักของกิจกรรมการวิจัยเป็นเวลานานกว่าทศวรรษอยู่ที่ตะกั่วเฮไลด์เพอรอฟสกี้
ภายในหมวดหมู่นั้น ยังมีความเป็นไปได้มากมาย และห้องปฏิบัติการทั่วโลกกำลังแข่งขันกันผ่านการทำงานอันน่าเบื่อหน่ายในการพยายามหารูปแบบต่างๆ ที่แสดงประสิทธิภาพสูงสุดในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และความทนทาน ซึ่งเป็นสิ่งที่ท้าทายที่สุดจนถึงตอนนี้ ของทั้งสาม
หลายทีมยังให้ความสำคัญกับรูปแบบต่างๆ ที่กำจัดการใช้สารตะกั่ว เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม Buonassisi ตั้งข้อสังเกตว่า "เมื่อเวลาผ่านไปอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์ที่ใช้ตะกั่วจะปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง และไม่มีองค์ประกอบอื่นใดที่ใกล้เคียงในแง่ของประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์" งานยังคงดำเนินต่อไปในการสำรวจทางเลือกต่างๆ แต่สำหรับตอนนี้ไม่มีใครสามารถแข่งขันกับรุ่นตะกั่วลิดได้
หนึ่งในข้อดีที่ยอดเยี่ยมของ perovskites คือความทนทานต่อข้อบกพร่องในโครงสร้างได้ดี เขากล่าว ซึ่งแตกต่างจากซิลิกอนซึ่งต้องการความบริสุทธิ์สูงมากเพื่อให้ทำงานได้ดีในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ perovskites สามารถทำงานได้ดีแม้มีความไม่สมบูรณ์และสิ่งเจือปนมากมาย
การค้นหาองค์ประกอบใหม่ที่เป็นไปได้สำหรับ perovskites นั้นค่อนข้างเหมือนกับการงมเข็มในมหาสมุทร แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยได้คิดค้นระบบการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่สามารถทำให้กระบวนการนี้คล่องตัวขึ้นอย่างมาก วิธีการใหม่นี้อาจนำไปสู่การพัฒนาทางเลือกใหม่ได้เร็วขึ้นมาก Buonassisi ผู้ร่วมเขียนงานวิจัยกล่าว
ในขณะที่ perovskites ยังคงแสดงคำมั่นสัญญาที่ยอดเยี่ยม และหลายบริษัทกำลังเตรียมพร้อมที่จะเริ่มการผลิตเชิงพาณิชย์ ความทนทานยังคงเป็นอุปสรรคใหญ่ที่สุดที่พวกเขาเผชิญ ในขณะที่แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิกอนสามารถรักษาพลังงานได้ถึง 90 เปอร์เซ็นต์หลังจากผ่านไป 25 ปี แต่สาร perovskites จะเสื่อมสภาพเร็วกว่ามาก มีความก้าวหน้าอย่างมาก — ตัวอย่างเริ่มต้นใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง จากนั้นก็เป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือน แต่สูตรที่ใหม่กว่ามีอายุการใช้งานได้ถึงสองสามปี เหมาะสำหรับการใช้งานบางประเภทที่ไม่จำเป็นต้องมีอายุยืนยาว
จากมุมมองของการวิจัย Buonassisi กล่าวว่าข้อดีอย่างหนึ่งของ perovskites คือค่อนข้างง่ายที่จะทำในห้องแล็บ - ส่วนประกอบทางเคมีรวมตัวกันได้ง่าย แต่นั่นก็เป็นข้อเสียเช่นกัน: "วัสดุเข้ากันได้ง่ายมากที่อุณหภูมิห้อง" เขากล่าว "แต่มันก็แยกออกจากกันได้ง่ายมากเช่นกันที่อุณหภูมิห้อง มาง่าย ไปง่าย!"
เพื่อจัดการกับปัญหานั้น นักวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การใช้วัสดุป้องกันหลายชนิดเพื่อห่อหุ้มเพอร์รอฟสไกต์ ปกป้องจากการสัมผัสกับอากาศและความชื้น แต่คนอื่นๆ กำลังศึกษากลไกที่แน่นอนซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพนั้น โดยหวังว่าจะพบสูตรหรือการรักษาที่มีประสิทธิภาพโดยเนื้อแท้มากขึ้น การค้นพบที่สำคัญคือกระบวนการที่เรียกว่าการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัตินั้นเป็นสาเหตุหลักสำหรับการสลายตัว
ในการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ ทันทีที่ส่วนหนึ่งของวัสดุเริ่มย่อยสลาย ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเริ่มย่อยสลายชิ้นส่วนที่อยู่ใกล้เคียงของโครงสร้าง และปฏิกิริยาที่ควบคุมไม่ได้กำลังดำเนินอยู่ มีปัญหาที่คล้ายกันในการวิจัยระยะแรกเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) และในที่สุดก็ได้รับการแก้ไขโดยการเพิ่มขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมในวัตถุดิบ ดังนั้นอาจพบวิธีแก้ปัญหาที่คล้ายกันในกรณีของ perovskites Buonassisi แนะนำ
Buonassisi และผู้ร่วมวิจัยของเขาเพิ่งเสร็จสิ้นการศึกษาที่แสดงให้เห็นว่าเมื่อ perovskites มีอายุการใช้งานถึงอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษ ต้องขอบคุณต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่ามากซึ่งเพียงพอที่จะทำให้พวกเขามีศักยภาพทางเศรษฐกิจเพื่อใช้แทนซิลิกอนในสาธารณูปโภคขนาดใหญ่ ขยายขนาดโซลาร์ฟาร์ม
โดยรวมแล้ว ความก้าวหน้าในการพัฒนา perovskites นั้นน่าประทับใจและน่าสนับสนุน เขากล่าว ด้วยการทำงานเพียงไม่กี่ปี มันได้บรรลุประสิทธิภาพที่เทียบเท่ากับระดับที่แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) "ซึ่งมีมายาวนานกว่านั้นมาก" เขากล่าว "ความง่ายในการเข้าถึงการแสดงที่สูงขึ้นเหล่านี้ในเนื้อหาใหม่นี้แทบจะทำให้มึนงง" เขากล่าวว่าเมื่อเปรียบเทียบระยะเวลาการวิจัยที่ใช้ในการปรับปรุงประสิทธิภาพ 1 เปอร์เซ็นต์ ความคืบหน้าของ perovskites อยู่ระหว่าง 100 ถึง 1 000 เร็วกว่า CdTe "นั่นเป็นหนึ่งในเหตุผลที่มันน่าตื่นเต้นมาก" เขากล่าว
