วัสดุที่มีแนวโน้มว่าจะสามารถผลิตพลังงานหมุนเวียนได้ในวันที่มีแดดจ้า เซ็กซี่บาคาร่า — ถ้ามันสามารถขยายขอบเขตได้ Tsutomu Miyasaka อยู่ในภารกิจที่จะสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีขึ้น ช่วงต้นทศวรรษ 2000 และนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นต้องการแทนที่โมเลกุลที่ละเอียดอ่อนซึ่งเขาใช้ในการจับแสงแดดด้วยตัวเลือกที่แข็งแรงกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า
ดังนั้นเมื่อนักเรียนเล่าให้เขาฟังเกี่ยวกับวัสดุที่ไม่คุ้นเคยซึ่งมีคุณสมบัติผิดปกติ มิยาซากะจึงต้องลองดู วัสดุดังกล่าว “แปลกมาก” เขากล่าว แต่เขากระตือรือร้นที่จะทดสอบสิ่งที่อาจตอบสนองต่อแสงอยู่เสมอ
นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ กำลังใช้กระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุที่เรียกว่า perovskite เพื่อสร้างแสง
มิยาซากะจากมหาวิทยาลัยโทอินแห่งโยโกฮาม่าในญี่ปุ่นต้องการทราบว่าวัสดุนี้สามารถทำสิ่งที่ตรงกันข้ามได้หรือไม่: ดูดซับแสงแดดและแปลงเป็นไฟฟ้า แนวคิดนี้ได้ผล ทำให้เขาประหลาดใจ เมื่อเขาและทีมของเขาเปลี่ยนส่วนประกอบที่ไวต่อแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยชั้น perovskite ที่บางมาก เซลล์ที่ส่องสว่างจะ สูบกระแสไฟฟ้าออก มาเล็กน้อย
ผลการวิจัยที่รายงานในปี 2552 ในวารสาร American Chemical Societyได้กระตุ้นความสนใจของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ด้วย คุณสมบัติของ perovskite ทำให้ (และคุณสมบัติอื่นๆ ในตระกูล perovskite) เหมาะสมที่จะสร้างพลังงานจากแสงแดดได้อย่างมีประสิทธิภาพ บางที นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่า Perovskite นี้อาจจะทำผลงานได้ดีกว่าซิลิกอน ซึ่งเป็นวัสดุดูดซับแสงที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ทั่วโลก
ความตื่นเต้นครั้งแรกแปลได้อย่างรวดเร็วเป็นผลลัพธ์ที่มีแนวโน้มในช่วงต้น ตัวชี้วัดที่สำคัญสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ใดๆ คือประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ นั่นคือปริมาณแสงแดดที่กระทบพื้นผิวจริง ๆ แล้วจะถูกแปลงเป็นกระแสไฟฟ้ามากน้อยเพียงใด ตามมาตรฐานดังกล่าว เซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite ได้ฉายแสงเพิ่มประสิทธิภาพได้เร็วกว่าวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นก่อนๆ ในประวัติศาสตร์ ประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อย 3.8 เปอร์เซ็นต์ที่รายงานโดยทีมของ Miyasaka ในปี 2552 นั้นสูงถึง 22 เปอร์เซ็นต์ในปีนี้ ทุกวันนี้ วัสดุเกือบจะเทียบเท่ากับซิลิคอน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้แก้ไขมาเป็นเวลากว่า 60 ปีแล้ว เพื่อให้มีประสิทธิภาพในระดับที่ใกล้เคียงกัน
“ผู้คนตื่นเต้นมากเพราะจำนวนประสิทธิภาพของ [perovskite] เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว รู้สึกว่านี่คือสิ่งที่ต้องดำเนินการอยู่ในขณะนี้” Jao van de Lagemaat นักเคมีจาก National Renewable Energy Laboratory ใน Golden, Colo กล่าว
ตอนนี้เซลล์แสงอาทิตย์ของ Perovskite อยู่ในทางแยก การศึกษาในห้องปฏิบัติการพิสูจน์ให้เห็นถึงศักยภาพ: มีราคาถูกและประดิษฐ์ได้ง่ายกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่ผ่านการทดสอบตามเวลา แม้ว่า perovskites จะไม่สามารถแทนที่ซิลิกอนได้อย่างสมบูรณ์ แต่วัสดุที่ใหม่กว่าสามารถ piggyback บนเซลล์ซิลิกอนที่มีอยู่เพื่อสร้างเซลล์ที่มีประสิทธิภาพพิเศษ Perovskites ยังสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ในการใช้งานใหม่ที่เซลล์ซิลิคอนแบบเดิมตกลงไป เช่น สารเคลือบดูดซับแสงบนหน้าต่าง หรือเป็นแผงโซลาร์ที่ทำงานในวันที่มีเมฆมาก หรือแม้แต่ดูดซับแสงแดดภายในอาคาร
การที่ perovskites สามารถก้าวกระโดดนั้นได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับความพยายามในการวิจัยในปัจจุบันเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องบางประการ ตัวอย่างเช่น แนวโน้มที่จะเสื่อม สภาพภายใต้ ความร้อนและความชื้น ไม่ใช่ลักษณะเฉพาะที่ดีสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องอยู่กลางแดดนานหลายชั่วโมง ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงพยายามเพิ่มความเสถียรโดยไม่ทำลายประสิทธิภาพ Henry Snaith นักฟิสิกส์จาก University of Oxford กล่าวว่า “มีความท้าทายอยู่บ้าง แต่ฉันคิดว่าเรากำลังดำเนินการเพื่อให้สิ่งนี้มีเสถียรภาพเพียงพอ” การหาช่องสำหรับ perovskites ในอุตสาหกรรมที่ครอบงำโดยซิลิกอนนั้นต้องใช้ความคิดเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแบบที่สร้างสรรค์
อิเล็กตรอนกระโจน
Perovskites บินอยู่ใต้เรดาร์เป็นเวลาหลายปีก่อนที่จะกลายเป็นดาวสุริยะ Perovskite ที่รู้จักกันครั้งแรกคือแร่ธาตุแคลเซียมไททาเนตหรือ CaTiO 3ที่ค้นพบในศตวรรษที่ 19 ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา perovskites ได้ขยายไปสู่กลุ่มของสารประกอบที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกันและสูตรทางเคมี – อัตราส่วนส่วนผสม 1: 1: 3 – ซึ่งสามารถปรับแต่งด้วยองค์ประกอบต่าง ๆ เพื่อสร้าง “รสชาติ” ที่แตกต่างกัน
แต่ perovskites ที่กำลังศึกษาชั้นเซลล์สุริยะที่ดูดซับแสงนั้นส่วนใหญ่เป็นสิ่งประดิษฐ์ในห้องปฏิบัติการ หลายชนิดเป็นลีดเฮไลด์เพอรอฟสกีต์ ซึ่งรวมตะกั่วไอออนกับไอโอดีนสามไอออนหรือองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกัน เช่น โบรมีน กับไอออนประเภทที่สาม (โดยปกติคือเมทิลแอมโมเนียม) ส่วนผสมเหล่านั้นเชื่อมโยงเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างพีระมิดบนพีระมิดที่มีลักษณะเหมือนกรงขังของ perovskites การแลกเปลี่ยนส่วนผสมต่างๆ (เช่นการแทนที่ตะกั่วด้วยดีบุกเป็นต้น) สามารถให้ perovskites ได้หลายชนิด โดยทั้งหมดมีคุณสมบัติทางเคมีต่างกันเล็กน้อย แต่มีโครงสร้างผลึกพื้นฐานเหมือนกัน
Perovskites เป็นหนี้ทักษะแสงอาทิตย์ของพวกเขาในลักษณะที่อิเล็กตรอนของพวกเขาโต้ตอบกับแสง เมื่อแสงแดดส่องลงมาที่แผงโซลาร์เซลล์ โฟตอน ซึ่งเป็นกลุ่มพลังงานแสงเล็กๆ จะถล่มพื้นผิวของแผงโซลาร์เซลล์ราวกับกระสุนปืนใหญ่และถูกดูดกลืนไป เมื่อโฟตอนถูกดูดกลืนเข้าสู่เซลล์แสงอาทิตย์ โฟตอนสามารถแบ่งพลังงานบางส่วนกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบได้ อิเล็กตรอนถูกดึงดูดไปยังนิวเคลียสที่มีประจุบวกของอะตอม แต่โฟตอนสามารถให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนได้มากพอที่จะหลบหนี เหมือนกับที่ตัวละครในวิดีโอเกมได้รับพลังเพื่อกระโดดมอเตอร์ไซค์ข้ามหุบเขา เมื่ออิเล็กตรอนที่มีพลังงานกระโจนออกไป มันจะทิ้งรูที่มีประจุบวกไว้ เซลล์สุริยะแยกชั้นเก็บอิเลคตรอน และส่งผ่านออกเป็นกระแสไฟฟ้า เซ็กซี่บาคาร่า / ร้านอาหาร
