Slimme ramen die transparant zijn als het donker of koel is, maar automatisch donker worden als de zon te fel is, zijn steeds populairdere energiebesparende apparaten. Maar stel je voor dat wanneer het raam wordt verduisterd, het produceert tegelijkertijd elektriciteit. Een dergelijk materiaal - een fotovoltaïsch glas dat ook omkeerbaar thermochroom is - is een groene technologie waar onderzoekers lang naar hebben gewerkt, en nu, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een manier aangetoond om het te laten werken.

Onderzoekers van Berkeley Lab, een nationaal laboratorium van het Department of Energy (DOE), ontdekte dat een vorm van perovskiet, een van de heetste materialen in zonne-onderzoek momenteel vanwege zijn hoge conversie-efficiëntie, werkt verrassend goed als een stabiel en fotoactief halfgeleidermateriaal dat omkeerbaar kan worden geschakeld tussen een transparante toestand en een niet-transparante toestand, zonder afbreuk te doen aan de elektronische eigenschappen.

Het onderzoek, geleid door Peidong Yang van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, verscheen deze week in het tijdschrift Natuurmaterialen in een studie getiteld, "Thermochrome Halide Perovskiet Zonnecellen." De hoofdauteurs waren Jia Lin, Minliang Lai, en Letian Dou, allemaal in de onderzoeksgroep van Yang.

De wetenschappers deden de ontdekking terwijl ze de faseovergang van het materiaal onderzochten, een anorganische perovskiet. "Deze klasse van anorganisch halideperovskiet heeft een verbazingwekkende faseovergangschemie, " zei Yang, die ook een professor is in de scheikundeafdelingen van UC Berkeley, en materiaalkunde en techniek. "Het kan in wezen veranderen van de ene kristalstructuur naar de andere wanneer we de temperatuur enigszins veranderen of een beetje waterdamp introduceren."

Wanneer het materiaal zijn kristalstructuur verandert, het verandert van transparant naar niet-transparant. "Deze twee toestanden hebben exact dezelfde samenstelling maar zeer verschillende kristalstructuren, " zei hij. "Dat was erg interessant voor ons. Je kunt het dus gemakkelijk manipuleren op een manier die niet direct beschikbaar is in bestaande conventionele halfgeleiders."

Halide perovskietmaterialen zijn verbindingen die de kristalstructuur van het mineraal perovskiet hebben. Zijn unieke eigenschappen, hoge efficiëntie tarieven, en verwerkingsgemak hebben het tot een van de meest veelbelovende ontwikkelingen in zonnetechnologie van de afgelopen jaren gemaakt.

Onderzoekers van een ander DOE-lab, het Nationaal Laboratorium voor Hernieuwbare Energie (NREL), onlangs een verwante ontdekking gedaan, met behulp van een chemische reactie in een hybride perovskiet om een ​​schakelbaar zonnevenster te demonstreren.

De onderzoekers van Berkeley Lab waren oorspronkelijk niet van plan om een ​​thermochroom zonnevenster te ontwikkelen. Ze onderzochten faseovergangen in perovskiet-zonnecellen en probeerden de stabiliteit in de prototypische organisch-anorganische hybride perovskiet-methylammonium-loodjodide te verbeteren. Dus probeerden ze cesium te gebruiken om de methylammonium te vervangen.

"De chemische stabiliteit verbeterde dramatisch, maar helaas was de fase niet stabiel, " zei Dou, die een postdoctoraal onderzoeker was en nu een assistent-professor is aan de Purdue University. "Het veranderde in de lage T [temperatuur] fase. Het was een nadeel, maar toen hebben we er iets van gemaakt dat uniek en nuttig is."

Het materiaal wordt getriggerd om over te gaan van de lage T- naar hoge T-fase (of van transparant naar niet-transparant) door warmte toe te passen. In het labortorium, de vereiste temperatuur was ongeveer 100 graden Celsius. Yang zei dat ze eraan werken om het naar 60 C te brengen.

Lin, een postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab, zei vocht, of vochtigheid, werd in het lab gebruikt om de omgekeerde overgang te activeren. "De benodigde hoeveelheid vocht is afhankelijk van de samenstelling en de gewenste overgangstijd, "zei hij. "Bijvoorbeeld, meer bromide maakt het materiaal stabieler, dus dezelfde vochtigheid zou meer tijd nodig hebben om te transformeren van de hoge-T naar de lage-T-toestand."

De onderzoekers zullen ook blijven werken aan het ontwikkelen van alternatieve manieren om de omgekeerde transitie op gang te brengen, zoals door het aanleggen van spanning, of engineering van de bron van het vocht.

"De zonnecel vertoont volledig omkeerbare prestaties en uitstekende apparaatstabiliteit gedurende herhaalde faseovergangscycli zonder enige kleurvervaging of prestatievermindering, " zei Lay, een afgestudeerde student in de groep van Yang. "Met een apparaat als dit, een gebouw of auto kan zonne-energie oogsten via het slimme fotovoltaïsche raam."