Teksturowany krzem może być najlepszym partnerem perowskitów
Od czasu powstania pierwszego zastosowanego w praktyce krzemowego ogniwa słonecznego w latach 50. XX wieku przemysł fotowoltaiczny diametralnie się zmienił. W 2018 r. na całym świecie zainstalowano więcej źródeł energii słonecznej niż jakiejkolwiek innej technologii wytwarzania energii, więcej niż wszystkich paliw kopalnych i energii jądrowej razem wziętych, a nawet więcej niż wszystkich innych odnawialnych źródeł energii łącznie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Pomimo znacznych postępów udział energii słonecznej w globalnej mocy wyjściowej w 2018 r. nadal wynosił zaledwie 2 %(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Aby przeniknąć na rynek, konieczne jest znaczne zwiększenie wydajności konwersji energii w celu umożliwienia proporcjonalnego obniżenia kosztów w dalszej części łańcucha dostaw. Perowskity należą do najbardziej obiecujących materiałów i cieszą się coraz większym zainteresowaniem. Dzięki wsparciu z programu Maria Skłodowska-Curie w ramach projektu POSITS zastosowano zaawansowane metody charakteryzacji i przetwarzania w celu rozwinięcia technologii ich wykorzystania.
Ważny potencjał perowskitów
Podczas gdy krzemowa technologia fotowoltaiczna ma już 65 lat, perowskity znajdują się w centrum uwagi zaledwie od dekady(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Niemniej jednak, według członka projektu, dr. Terry’ego Chien-Jen Yanga, „Perowskitowe ogniwa słoneczne poczyniły niespotykany dotąd postęp pod względem wydajności konwersji energii z 3,8 % w 2009 r.(odnośnik otworzy się w nowym oknie) do certyfikowanych 25,2 % w 2019 r.(odnośnik otworzy się w nowym oknie)”. Wydajność tych ogniw można dodatkowo zwiększyć poprzez połączenie materiałów o różnych przerwach energetycznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), aby umożliwić lepsze wykorzystanie widma słonecznego. Na przykład, tandemowe ogniwa słoneczne łączące krzem z przerwą energetyczną wynoszącą 1,12 eV i perowskity z przerwą energetyczną wynoszącą 1,65-1,7 eV mają potencjał do osiągania wydajności większych niż 30 %, co wykracza poza zdolności samego krzemu.
Pielęgnowanie rodzącej się technologii i pokonywanie wyzwań
Najbardziej skuteczną metodą dostrajania przerwy energetycznej perowskitów jest wypełnianie jej halogenkiem. Może to jednak prowadzić do niestabilności(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jak wyjaśnia Terry Chien-Jen Yang: „Jednym z kluczowych problemów jest fotoindukowana segregacja fazowa – zjawisko powodujące rozdzielenie materiału perowskitowego na bogaty w jod i bogaty w brom. Obniża to napięcie oraz wydajność ogniw perowskitowych o dużej przerwie energetycznej”. Twórcy projektu POSITS postanowili scharakteryzować tę segregację i określić sposoby jej udoskonalenia. Naukowcy sprawdzili szereg materiałów perowskitowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pod względem ich możliwości poprawienia stabilności i zmniejszenia segregacji fazowej. Wykorzystując metody optyczne i strukturalne, zespół scharakteryzował złożone wskaźniki refrakcji perowskitów o dużej przerwie energetycznej(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach szeroko zakrojonych badań zbadano również kinetykę segregacji fazowej, identyfikując mechanizmy kontrolujące szybkość, a także wpływ procesu na wydajność luminescencji. I być może najważniejsze, projekt POSITS pomógł w opracowaniu dwuetapowej techniki osadzania hybrydowego w celu uzyskania funkcjonalnych komórek na teksturowanych, a nie płaskich krzemowych ogniwach dolnych. Wykazał on także znaczenie tekstury w tworzeniu wyższych prądów zwarciowych w porównaniu z tandemowymi konstrukcjami perowskitów na płaskim krzemie. Najnowsze wyniki badań w ramach projektu POSITS zostały przesłane do publikacji. Terry Chien-Jen Yang podsumowuje: „Zastosowanie komercyjnie istotnych teksturowanych, a nie płaskich krzemowych ogniw dolnych może być przyszłością technologii tandemowych ogniw słonecznych na bazie perowskitów i krzemu. Nadal jesteśmy o krok od celu, jakim jest wydajność na poziomie 30 %, ale znacznie poszerzyliśmy naszą wiedzę na temat materiałów i urządzeń niezbędnych do jego osiągnięcia”. Mimo że wciąż wymagana jest poprawa wydajności i stabilności długoterminowej, perowskity są na dobrej drodze do odegrania ważnej roli w przyszłości ogniw słonecznych i potencjalnie innych urządzeń optoelektronicznych, z których obecnie korzystamy.
