Perowskity rewolucjonizują systemy energii słonecznej
Kilkadziesiąt lat badań nad ogniwami słonecznymi doprowadziło do ustalenia bezwzględnej teoretycznej granicy – tzw. granica Shockleya–Queissera – określającej wydajność konwersji energii przez ogniwa. Dla pojedynczych zoptymalizowanych złączy półprzewodnikowych sprawność konwersji wynosi niewiele ponad 30%. Aby wytworzyć ogniwa słoneczne o większej wydajności, konieczne jest zastosowanie nowych koncepcji, które pozwolą przezwyciężyć podstawowe ograniczenia konwersji energii przez ogniwa słoneczne z pojedynczym złączem. Bliskie zastosowania w praktyce oraz bardzo obiecujące są procesy wykorzystujące rozszczepianie singletów. W ramach finansowanego ze środków UE projektu SOLAR BEYOND SILICON, naukowcy badali możliwości zwiększenia sprawności perowskitowych ogniw słonecznych do poziomu zbliżonego do ogniw krzemowych, które są najpowszechniej dostępne na rynku. Rozszczepianie singletów: sposób na poprawę sprawności ogniw słonecznych Ogniwa słoneczne z pojedynczym złączem charakteryzują się podstawowym mechanizmem utraty energii – termalizacją. „Tak jak w przypadku pochłaniania niskoenergetycznego fotonu, pochłanianie fotonu wysokoenergetycznego powoduje powstanie pary elektron-dziura”, tłumaczy prof. Richard Friend. „Dodatkowa energia fotonów powyżej przerwy energetycznej jest tracona w wyniku relaksacji termicznej, czego skutkiem jest granica Shockleya-Queissera, wynosząca około 30% w przypadku idealnego ogniwa półprzewodnikowego”. Rozszczepianie singletów to proces, który może pozwolić na przekroczenie tej granicy dzięki wyeliminowaniu strat związanych z relaksacją. W procesie tym w wyniku fotowzbudzenia materiału zdolnego do rozszczepiania z wysokoenergetycznym fotonem, powstaje ekscyton spinowo-singletowy, który może przejść proces zachowania spinu prowadzący do wygenerowania dwóch potrójnych ekscytonów, z których każdy przenosi około połowy energii. Po umieszczeniu w innym materiale (takim jak perowskit), który pochłania niskoenergetyczne fotony i rozprasza potrójne ekscytony, możemy otrzymać ogniwo słoneczne, które może przekroczyć limit sprawności. Zespół projektu wykorzystał pewne wyjątkowe właściwości półprzewodników organicznych, aby dokonać postępów w przezwyciężeniu ograniczeń ogniw słonecznych z pojedynczym złączem. Dokładniej mówiąc, uczeni połączyli rozszczepianie singletów w półprzewodnikach organicznych, takich jak pentacen czy tetracen, z konkretnymi perowskitami o niskiej przerwie energetycznej. „W projekcie dowiedliśmy, że z tych materiałów można by wytwarzać niedrogie i wydajne ogniwa słoneczne, a także że możliwe jest zaobserwowanie przenoszenia ładunków na granicy faz między tymi materiałami”, mówi dr Sam Stranks, badacz uczestniczący w projekcie. Jednym z procesów ograniczających jest migracja jonów w materiałach po ich naświetleniu. Badaczom udało się lepiej zrozumieć to zagadnienie dzięki uzyskaniu pierwszej wizualizacji procesu migracji jonów, jak również zastosowaniu unikatowych metod pasywacji w celu ograniczenia tych i innych niepożądanych efektów. W ten sposób otrzymano platformę, w oparciu o którą perowskitowe ogniwa słoneczne mogą już wkrótce prześcignąć ogniwa krzemowe. Projekt SOLAR BEYOND SILICON przyczynił się także do lepszego poznania rekombinacji, migracji jonów oraz innych procesów stratnych w perowskitach. Uczeni wnieśli wkład w przygotowanie 22 artykułów w czasopismach naukowych oraz raportów. W jednym z artykułów poinformowano o znalezieniu pierwszych dowodów na pośrednią przerwę energetyczną w perowskitach metalowo-halogenkowych. Publikacja ta ukazała się na łamach Nature Materials w październiku 2016 r. i wywołała duże poruszenie wśród naukowców, otwierając przed nimi nowe, fascynujące obszary badań.
Słowa kluczowe
SOLAR BEYOND SILICON, perowskity, ogniwa słoneczne z pojedynczym złączem, energia słoneczna, granica Shockleya-Queissera, półprzewodniki organiczne
