Ffynhonnell: news.mit.edu
Mae Perovskites yn addo creu paneli solar y gellid eu gosod yn hawdd ar y rhan fwyaf o arwynebau, gan gynnwys rhai hyblyg a gweadog. Byddai'r deunyddiau hyn hefyd yn ysgafn, yn rhad i'w cynhyrchu, ac mor effeithlon â deunyddiau ffotofoltäig blaenllaw heddiw, sef silicon yn bennaf. Maent yn destun ymchwil a buddsoddiad cynyddol, ond mae'n rhaid i gwmnïau sy'n ceisio harneisio eu potensial fynd i'r afael â rhai rhwystrau sy'n weddill cyn y gall celloedd solar sy'n seiliedig ar berofsgit fod yn fasnachol gystadleuol.
Mae'r term perovskite yn cyfeirio nid at ddeunydd penodol, fel silicon neu cadmiwm telluride, cystadleuwyr blaenllaw eraill yn y maes ffotofoltäig, ond at deulu cyfan o gyfansoddion. Mae'r teulu perovskite o ddeunyddiau solar wedi'i enwi oherwydd ei debygrwydd strwythurol i fwyn o'r enw perovskite, a ddarganfuwyd ym 1839 ac a enwyd ar ôl y mwynolegydd o Rwseg, LA Perovski.
Mae gan y perovskite mwynau gwreiddiol, sef calsiwm titaniwm ocsid (CaTiO3), gyfluniad grisial nodedig. Mae ganddo strwythur tair rhan, y mae ei gydrannau wedi dod i gael eu labelu A, B ac X, lle mae delltau'r gwahanol gydrannau wedi'u cydblethu. Mae'r teulu perovskites yn cynnwys y cyfuniadau niferus posibl o elfennau neu foleciwlau a all feddiannu pob un o'r tair cydran a ffurfio strwythur tebyg i un y perovskite gwreiddiol ei hun. (Mae rhai ymchwilwyr hyd yn oed yn plygu'r rheolau ychydig trwy enwi strwythurau crisial eraill ag elfennau tebyg "perovskites," er bod crisialogwyr yn gwgu ar hyn.)
"Gallwch chi gymysgu a chyfateb atomau a moleciwlau i'r strwythur, gyda rhai cyfyngiadau. Er enghraifft, os ydych chi'n ceisio stwffio moleciwl sy'n rhy fawr i'r strwythur, byddwch chi'n ei ystumio. Yn y pen draw fe allech chi achosi i'r grisial 3D wahanu i mewn i'r strwythur. strwythur haenog 2D, neu golli strwythur trefniadol yn gyfan gwbl," meddai Tonio Buonassis, athro peirianneg fecanyddol yn MIT a chyfarwyddwr y Labordy Ymchwil Ffotofoltäig. "Mae perovskites yn hynod diwnadwy, fel strwythur grisial adeiladu eich antur eich hun," meddai.
Mae'r adeiledd hwnnw o delltiau rhynglaced yn cynnwys ïonau neu foleciwlau â gwefr, dau ohonynt (A a B) â gwefr bositif a'r llall (X) â gwefr negatif. Mae'r ïonau A a B yn nodweddiadol o wahanol feintiau, gyda'r A yn fwy.
O fewn y categori cyffredinol o perovskites, mae yna nifer o fathau, gan gynnwys perovskites metel ocsid, sydd wedi dod o hyd i gymwysiadau mewn catalysis ac mewn storio a thrawsnewid ynni, megis mewn celloedd tanwydd a batris metel-aer. Ond mae prif ffocws gweithgaredd ymchwil ers mwy na degawd wedi bod ar perovskites halid plwm, yn ôl Buonassisi meddai.
O fewn y categori hwnnw, mae lleng o bosibiliadau o hyd, ac mae labordai ledled y byd yn rasio trwy'r gwaith diflas o geisio dod o hyd i'r amrywiadau sy'n dangos y perfformiad gorau o ran effeithlonrwydd, cost a gwydnwch - sef y mwyaf heriol hyd yn hyn. o'r tri.
Mae llawer o dimau hefyd wedi canolbwyntio ar amrywiadau sy'n dileu'r defnydd o blwm, er mwyn osgoi ei effaith amgylcheddol. Mae Buonassis yn nodi, fodd bynnag, "yn gyson dros amser, mae'r dyfeisiau sy'n seiliedig ar blwm yn parhau i wella yn eu perfformiad, ac ni ddaeth yr un o'r cyfansoddiadau eraill yn agos o ran perfformiad electronig." Mae gwaith yn parhau ar archwilio dewisiadau amgen, ond ar hyn o bryd ni all yr un ohonynt gystadlu â'r fersiynau halid plwm.
Un o'r manteision mawr y mae perovskites yn ei gynnig yw eu goddefgarwch mawr o ddiffygion yn y strwythur, meddai. Yn wahanol i silicon, sy'n gofyn am burdeb uchel iawn i weithredu'n dda mewn dyfeisiau electronig, gall perovskites weithredu'n dda hyd yn oed gyda nifer o ddiffygion ac amhureddau.
Mae chwilio am gyfansoddiadau ymgeiswyr newydd addawol ar gyfer perofskites ychydig yn debyg i chwilio am nodwydd mewn tas wair, ond yn ddiweddar mae ymchwilwyr wedi creu system dysgu peiriant a all symleiddio'r broses hon yn fawr. Gallai’r dull newydd hwn arwain at ddatblygiad llawer cyflymach o ddewisiadau amgen newydd, meddai Buonassis, a oedd yn gyd-awdur yr ymchwil honno.
Er bod perovskites yn parhau i ddangos addewid mawr, a nifer o gwmnïau eisoes yn paratoi i ddechrau rhywfaint o gynhyrchu masnachol, gwydnwch yw'r rhwystr mwyaf y maent yn ei wynebu o hyd. Er bod paneli solar silicon yn cadw hyd at 90 y cant o'u hallbwn pŵer ar ôl 25 mlynedd, mae perovskites yn diraddio'n gynt o lawer. Mae cynnydd mawr wedi'i wneud - dim ond ychydig oriau y parhaodd samplau cychwynnol, yna wythnosau neu fisoedd, ond mae gan fformwleiddiadau mwy newydd hyd oes defnyddiadwy o hyd at ychydig flynyddoedd, sy'n addas ar gyfer rhai cymwysiadau lle nad yw hirhoedledd yn hanfodol.
O safbwynt ymchwil, dywed Buonassisi, un fantais o perovskites yw eu bod yn gymharol hawdd i'w gwneud yn y labordy - mae'r cyfansoddion cemegol yn ymgynnull yn rhwydd. Ond dyna eu hanfantais hefyd: "Mae'r defnydd yn cyd-fynd yn hawdd iawn ar dymheredd ystafell," meddai, "ond mae hefyd yn dod yn ddarnau yn hawdd iawn ar dymheredd ystafell. Hawdd dod, hawdd mynd!"
Er mwyn delio â'r mater hwnnw, mae'r rhan fwyaf o ymchwilwyr yn canolbwyntio ar ddefnyddio gwahanol fathau o ddeunyddiau amddiffynnol i grynhoi'r perovskite, gan ei amddiffyn rhag dod i gysylltiad ag aer a lleithder. Ond mae eraill yn astudio'r union fecanweithiau sy'n arwain at y diraddio hwnnw, yn y gobaith o ddod o hyd i fformwleiddiadau neu driniaethau sy'n gynhenid gadarn. Canfyddiad allweddol yw mai proses o'r enw awtocatalysis sydd i raddau helaeth ar fai am y methiant.
Mewn awtocatalysis, cyn gynted ag y bydd un rhan o'r deunydd yn dechrau diraddio, mae ei gynhyrchion adwaith yn gweithredu fel catalyddion i ddechrau diraddio rhannau cyfagos y strwythur, ac mae adwaith rhedegog yn cychwyn. Roedd problem debyg yn bodoli yn yr ymchwil cynnar ar rai deunyddiau electronig eraill, megis deuodau allyrru golau organig (OLEDs), ac fe'i datryswyd yn y pen draw trwy ychwanegu camau puro ychwanegol at y deunyddiau crai, felly gellir dod o hyd i ateb tebyg yn achos perovskites, mae Buonassisi yn ei awgrymu.
Yn ddiweddar cwblhaodd Buonassis a’i gyd-ymchwilwyr astudiaeth yn dangos bod perovskites unwaith y bydd yn cyrraedd oes defnyddiadwy o ddegawd o leiaf, diolch i’w cost gychwynnol lawer is a fyddai’n ddigonol i’w gwneud yn economaidd hyfyw yn lle silicon mewn cyfleustodau mawr- ffermydd solar ar raddfa.
Ar y cyfan, mae cynnydd yn natblygiad perovskites wedi bod yn drawiadol ac yn galonogol, meddai. Gyda dim ond ychydig flynyddoedd o waith, mae eisoes wedi cyflawni arbedion effeithlonrwydd tebyg i lefelau y mae cadmium telluride (CdTe), “sydd wedi bod o gwmpas ers llawer hirach, yn dal i gael trafferth eu cyflawni,” meddai. “Mae pa mor hawdd yw cyrraedd y perfformiadau uwch hyn yn y deunydd newydd hwn bron yn syfrdanol.” Wrth gymharu faint o amser ymchwil a dreuliwyd i gyflawni gwelliant o 1 y cant mewn effeithlonrwydd, meddai, mae'r cynnydd o ran perovskites wedi bod rywle rhwng 100 ac 1,000 gwaith yn gyflymach nag ar CdTe. "Dyna un o'r rhesymau pam ei fod mor gyffrous," meddai.
