Perovskites lovar att skapa solpaneler som enkelt kan deponeras på de flesta ytor, inklusive flexibla och strukturerade. Dessa material skulle också vara lätta, billiga att tillverka och lika effektiva som dagens ledande solcellsmaterial, som huvudsakligen är kisel. De är föremål för ökande forskning och investeringar, men företag som vill utnyttja sin potential måste ta itu med några återstående hinder innan perovskitbaserade solceller kan vara kommersiellt konkurrenskraftiga.

Termen perovskit hänvisar inte till ett specifikt material, som kisel eller kadmiumtellurid, andra ledande utmanare inom solcellsområdet, utan till en hel familj av föreningar. Perovskitfamiljen av solmaterial är uppkallad efter sin strukturella likhet med ett mineral som kallas perovskit, som upptäcktes 1839 och uppkallat efter den ryske mineralogen L.A. Perovski.

Det ursprungliga mineralet perovskit, som är kalciumtitanoxid (CaTiO₃ ), har en distinkt kristallkonfiguration. Den har en tredelad struktur, vars komponenter har kommit att märkas med A, B och X, där gitter av de olika komponenterna är sammanflätade. Familjen perovskiter består av de många möjliga kombinationerna av element eller molekyler som kan ockupera var och en av de tre komponenterna och bilda en struktur som liknar den för den ursprungliga perovskiten själv. (Vissa forskare böjer till och med reglerna lite genom att namnge andra kristallstrukturer med liknande element "perovskites", även om detta är ogillat av kristallografer.)

"Du kan blanda och matcha atomer och molekyler i strukturen, med vissa gränser. Om du till exempel försöker stoppa in en molekyl som är för stor i strukturen kommer du att förvränga den. Så småningom kan du få 3D-kristallen att separera i strukturen. en 2D-skiktad struktur, eller förlorar ordnad struktur helt, säger Tonio Buonassisi, professor i maskinteknik vid MIT och chef för Photovoltaics Research Laboratory. "Perovskites är mycket avstämbara, som en kristallstruktur som bygger ditt eget äventyr", säger han.

Den strukturen av sammanflätade gitter består av joner eller laddade molekyler, två av dem (A och B) positivt laddade och den andra (X) negativt laddade. A- och B-jonerna är vanligtvis av ganska olika storlekar, där A är större.

Inom den övergripande kategorin perovskiter finns det ett antal typer, inklusive metalloxidperovskiter, som har funnit tillämpningar inom katalys och energilagring och omvandling, såsom i bränsleceller och metall-luftbatterier. Men ett huvudfokus för forskningsverksamheten i mer än ett decennium har varit blyhalogenidperovskiter, enligt Buonassisi säger.

Inom den kategorin finns det fortfarande en legion av möjligheter, och laboratorier runt om i världen tävlar igenom det tråkiga arbetet med att försöka hitta de varianter som visar bäst prestanda i effektivitet, kostnad och hållbarhet – vilket hittills har varit det mest utmanande av de tre.

Många team har också fokuserat på varianter som eliminerar användningen av bly, för att undvika dess miljöpåverkan. Buonassisi noterar dock att "konsekvent över tiden fortsätter de blybaserade enheterna att förbättra sin prestanda, och ingen av de andra kompositionerna kom i närheten när det gäller elektronisk prestanda." Arbetet fortsätter med att utforska alternativ, men för närvarande kan ingen konkurrera med blyhalogenidversionerna.

En av de stora fördelarna perovskites erbjuder är deras stora tolerans mot defekter i strukturen, säger han. Till skillnad från kisel, som kräver extremt hög renhet för att fungera väl i elektroniska enheter, kan perovskiter fungera bra även med många brister och föroreningar.

Att leta efter lovande nya kandidatkompositioner för perovskiter är lite som att leta efter en nål i en höstack, men nyligen har forskare kommit fram till ett maskininlärningssystem som kan effektivisera denna process avsevärt. Detta nya tillvägagångssätt kan leda till en mycket snabbare utveckling av nya alternativ, säger Buonassisi, som var medförfattare till den forskningen.

Medan perovskites fortsätter att visa mycket lovande, och flera företag redan förbereder sig för att påbörja viss kommersiell produktion, är hållbarhet fortfarande det största hindret de står inför. Medan solpaneler av silikon behåller upp till 90 procent av sin effekt efter 25 år, bryts perovskiter ned mycket snabbare. Stora framsteg har gjorts – initiala prover varade bara några timmar, sedan veckor eller månader, men nyare formuleringar har en användbar livslängd på upp till några år, lämpliga för vissa applikationer där livslängd inte är avgörande.

Ur ett forskningsperspektiv, säger Buonassisi, är en fördel med perovskiter att de är relativt lätta att göra i labbet - de kemiska beståndsdelarna monteras lätt. Men det är också deras nackdel:"Materialet går väldigt lätt ihop i rumstemperatur", säger han, "men det går också isär väldigt lätt vid rumstemperatur. Lätt att komma, lätt gå!"

För att hantera den frågan är de flesta forskare fokuserade på att använda olika typer av skyddsmaterial för att kapsla in perovskiten och skydda den från exponering för luft och fukt. Men andra studerar de exakta mekanismerna som leder till den nedbrytningen, i hopp om att hitta formuleringar eller behandlingar som är mer robusta i sig. En viktig upptäckt är att en process som kallas autokatalys till stor del är skyldig till haveriet.

I autokatalys, så snart en del av materialet börjar brytas ned, fungerar dess reaktionsprodukter som katalysatorer för att börja bryta ned de närliggande delarna av strukturen, och en skenande reaktion börjar. Ett liknande problem fanns i den tidiga forskningen om vissa andra elektroniska material, såsom organiska lysdioder (OLED), och löstes så småningom genom att lägga till ytterligare reningssteg till råvarorna, så en liknande lösning kan hittas i fallet med perovskites, föreslår Buonassisi.

Buonassisi och hans medforskare avslutade nyligen en studie som visar att när perovskiter når en användbar livslängd på minst ett decennium, tack vare deras mycket lägre initiala kostnad som skulle vara tillräcklig för att göra dem ekonomiskt lönsamma som ersättning för kisel i stora, nytto- skala solgårdar.

Sammantaget har framstegen i utvecklingen av perovskiter varit imponerande och uppmuntrande, säger han. Med bara några års arbete har den redan uppnått effektiviteter jämförbara med nivåer som kadmiumtellurid (CdTe), "som har funnits mycket längre, fortfarande kämpar för att uppnå", säger han. "Lättheten med vilken dessa högre prestationer uppnås i detta nya material är nästan bedövande." Om man jämför mängden forskningstid som spenderas för att uppnå en 1 procents förbättring i effektivitet, säger han, har framstegen på perovskiter varit någonstans mellan 100 och 1000 gånger snabbare än på CdTe. "Det är en av anledningarna till att det är så spännande", säger han.