Perovskites ยึดมั่นในการสร้างแผงโซลาร์เซลล์ที่สามารถวางลงบนพื้นผิวส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดายรวมถึงแผงที่ยืดหยุ่นและมีพื้นผิว วัสดุเหล่านี้จะมีน้ำหนักเบา ผลิตราคาถูก และมีประสิทธิภาพเท่ากับวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ชั้นนำในปัจจุบัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นซิลิกอน พวกเขาเป็นหัวข้อของการวิจัยและการลงทุนที่เพิ่มขึ้น แต่บริษัทต่างๆ ที่ต้องการควบคุมศักยภาพของตน จำเป็นต้องจัดการกับอุปสรรคที่เหลืออยู่ก่อนที่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ perovskite จะแข่งขันในเชิงพาณิชย์ได้
คำว่า perovskite ไม่ได้หมายถึงวัสดุเฉพาะ เช่น ซิลิกอนหรือแคดเมียม เทลลูไรด์ ซึ่งเป็นคู่แข่งสำคัญอื่นๆ ในขอบเขตเซลล์แสงอาทิตย์ แต่หมายถึงสารประกอบทั้งตระกูล วัสดุสุริยะกลุ่ม perovskite ได้รับการตั้งชื่อตามโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันกับแร่ที่เรียกว่า perovskite ซึ่งถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2382 และตั้งชื่อตาม LA Perovski นักแร่วิทยาชาวรัสเซีย
แร่ perovskite ดั้งเดิมซึ่งเป็นแคลเซียมไททาเนียมออกไซด์ (CaTiO 3 ) มีโครงสร้างผลึกที่โดดเด่น มีโครงสร้างสามส่วนซึ่งมีส่วนประกอบเป็น A, B และ X ซึ่งมีการประสานโครงตาข่ายของส่วนประกอบต่างๆ ครอบครัวของ perovskites ประกอบด้วยองค์ประกอบหรือโมเลกุลที่เป็นไปได้หลายอย่างที่สามารถครอบครององค์ประกอบทั้งสามและสร้างโครงสร้างที่คล้ายกับของ perovskite ดั้งเดิมได้ (นักวิจัยบางคนถึงกับโค้งงอกฎเล็กน้อยด้วยการตั้งชื่อโครงสร้างผลึกอื่นๆ ที่มีองค์ประกอบคล้ายคลึงกันว่า “perovskites” แม้ว่าจะไม่ค่อยถูกใจนักผลึกศาสตร์ก็ตาม)
“คุณสามารถผสมและจับคู่อะตอมและโมเลกุลเข้ากับโครงสร้างได้ โดยมีข้อจำกัดบางประการ ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามยัดโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่เกินไปเข้าไปในโครงสร้าง คุณจะบิดเบือนโมเลกุลนั้น ในที่สุดคุณอาจทำให้คริสตัล 3 มิติแยกออกเป็นโครงสร้างชั้น 2 มิติ หรือสูญเสียโครงสร้างที่เป็นระเบียบทั้งหมด” Tonio Buonassisi ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ MIT และผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการวิจัยไฟฟ้าโซลาร์เซลล์กล่าว “ Perovskites นั้นปรับแต่งได้สูง เหมือนกับโครงสร้างคริสตัลที่สร้างการผจญภัยของคุณเอง” เขากล่าว
โครงสร้างของโครงตาข่ายแบบอินเทอร์เลซนั้นประกอบด้วยไอออนหรือโมเลกุลที่มีประจุ ซึ่งมีประจุสองตัว (A และ B) มีประจุบวก และอีกตัวหนึ่ง (X) มีประจุลบ โดยทั่วไปแล้วไอออน A และ B มีขนาดแตกต่างกันมาก โดยที่ A มีขนาดใหญ่กว่า
ภายในหมวดหมู่โดยรวมของ perovskites มีหลายประเภท รวมถึงโลหะออกไซด์ perovskites ซึ่งพบการใช้งานในการเร่งปฏิกิริยาและในการจัดเก็บและการแปลงพลังงาน เช่น ในเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่โลหะ-อากาศ แต่จุดสนใจหลักของกิจกรรมการวิจัยมานานกว่าทศวรรษอยู่ที่ลีดเฮไลด์ perovskites ตามรายงานของ Buonassisi
ภายในหมวดหมู่นั้น ยังมีความเป็นไปได้มากมาย และห้องแล็บทั่วโลกกำลังแข่งขันกันผ่านงานที่น่าเบื่อหน่ายในการพยายามค้นหารูปแบบต่างๆ ที่แสดงประสิทธิภาพสูงสุดในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และความทนทาน ซึ่งเป็นงานที่ท้าทายที่สุด ของทั้งสาม
หลายทีมยังให้ความสำคัญกับรูปแบบต่างๆ ที่ขจัดการใช้สารตะกั่ว เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม Buonassisi ตั้งข้อสังเกตว่า “เมื่อเวลาผ่านไป อุปกรณ์ที่ใช้ตะกั่วยังคงปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง และไม่มีองค์ประกอบอื่นใดที่ใกล้เคียงในแง่ของประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์” งานยังคงดำเนินต่อไปในการสำรวจทางเลือกต่างๆ แต่สำหรับตอนนี้ยังไม่มีใครสามารถแข่งขันกับรุ่นลีดเฮไลด์ได้
ข้อดีอย่างหนึ่งของ perovskites คือความทนทานต่อข้อบกพร่องในโครงสร้างอย่างมาก เขากล่าว ต่างจากซิลิกอนซึ่งต้องการความบริสุทธิ์สูงมากจึงจะทำงานได้ดีในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Perovskites สามารถทำงานได้ดีแม้จะมีจุดบกพร่องและสิ่งสกปรกจำนวนมาก
การค้นหาองค์ประกอบผู้สมัครใหม่ที่มีแนวโน้มสำหรับ perovskites นั้นคล้ายกับการมองหาเข็มในกองหญ้า แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้คิดค้นระบบการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่สามารถปรับปรุงกระบวนการนี้ได้อย่างมาก วิธีการใหม่นี้อาจนำไปสู่การพัฒนาทางเลือกใหม่ได้เร็วขึ้นมาก Buonassisi ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมของการวิจัยกล่าว
ในขณะที่ perovskites ยังคงให้คำมั่นสัญญาที่ดี และหลายบริษัทกำลังเตรียมพร้อมที่จะเริ่มการผลิตเชิงพาณิชย์แล้ว ความทนทานยังคงเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดที่พวกเขาเผชิญ ในขณะที่แผงโซลาร์เซลล์ซิลิกอนสามารถรักษาพลังงานได้มากถึง 90 เปอร์เซ็นต์หลังจาก 25 ปี แต่ perovskites จะลดความเร็วลงเร็วกว่ามาก มีความคืบหน้าอย่างมาก — ตัวอย่างแรกเริ่มใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง จากนั้นเป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือน แต่สูตรที่ใหม่กว่ามีอายุการใช้งานนานถึงสองสามปี เหมาะสำหรับการใช้งานบางประเภทที่ไม่จำเป็นต้องมีอายุยืนยาว
จากมุมมองการวิจัย Buonassisi กล่าวว่าข้อดีอย่างหนึ่งของ perovskites คือมันค่อนข้างง่ายที่จะทำในห้องปฏิบัติการ – องค์ประกอบทางเคมีประกอบได้อย่างง่ายดาย แต่นั่นก็มีข้อเสียเช่นกัน: “วัสดุจะเข้ากันได้ง่ายมากที่อุณหภูมิห้อง” เขากล่าว “แต่มันก็แยกออกจากกันได้ง่ายมากที่อุณหภูมิห้อง มาไวไปไว!”
เพื่อจัดการกับปัญหาดังกล่าว นักวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การใช้วัสดุป้องกันหลายชนิดเพื่อห่อหุ้ม perovskite เพื่อป้องกันไม่ให้สัมผัสกับอากาศและความชื้น แต่คนอื่น ๆ กำลังศึกษากลไกที่แน่นอนที่นำไปสู่การเสื่อมโทรมนั้นโดยหวังว่าจะพบสูตรหรือการรักษาที่มีประสิทธิภาพโดยเนื้อแท้มากขึ้น การค้นพบที่สำคัญคือกระบวนการที่เรียกว่าการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัตินั้นส่วนใหญ่จะตำหนิสำหรับการสลาย
ในการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ ทันทีที่ส่วนหนึ่งของวัสดุเริ่มเสื่อมสภาพ ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเริ่มลดระดับส่วนข้างเคียงของโครงสร้าง และปฏิกิริยาที่หนีไม่อยู่ก็กำลังดำเนินอยู่ ปัญหาที่คล้ายกันมีอยู่ในการวิจัยช่วงแรกๆ เกี่ยวกับวัสดุอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) และในที่สุดก็แก้ไขได้ด้วยการเพิ่มขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมในวัตถุดิบ ดังนั้นจึงอาจพบวิธีแก้ปัญหาที่คล้ายกันในกรณีของ perovskites, Buonassisi แนะนำ
Buonassisi และนักวิจัยร่วมของเขาเพิ่งเสร็จสิ้นการศึกษาที่แสดงให้เห็นว่าเมื่อ perovskites มีอายุการใช้งานที่ใช้งานได้อย่างน้อยหนึ่งทศวรรษด้วยต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่ามากซึ่งจะเพียงพอในเชิงเศรษฐกิจแทนซิลิคอนในขนาดใหญ่ ประโยชน์ใช้สอย- โซลาร์ฟาร์มขนาด
โดยรวมแล้ว ความก้าวหน้าในการพัฒนา perovskites นั้นน่าประทับใจและเป็นกำลังใจ เขากล่าว ด้วยการทำงานเพียงไม่กี่ปี มันก็ประสบความสำเร็จอย่างมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับระดับที่แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) “ซึ่งมีอยู่นานขึ้นมาก ยังคงดิ้นรนเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย” เขากล่าว “ความง่ายในการบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเหล่านี้ในเนื้อหาใหม่นี้แทบจะทำให้งงงวย” เมื่อเปรียบเทียบระยะเวลาในการวิจัยที่ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการปรับปรุง 1 เปอร์เซ็นต์ เขากล่าว ความคืบหน้าของ perovskites นั้นเร็วกว่า CdTe อยู่ระหว่าง 100 ถึง 1,000 เท่า “นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ตื่นเต้นมาก” เขากล่าว
