Odkrycie nowych materiałów zapewni świetlaną przyszłość ogniwom słonecznym
Perowskity halogenkowe stanowią klasę półprzewodników stosowanych w ogniwach słonecznych, które potrafią przetwarzać energię słoneczną na energię elektryczną. Ich dodatkową właściwością jest również możliwość przetwarzania energii elektrycznej na światło widzialne w diodach elektroluminescencyjnych. Perowskity są znane od kilku dziesięcioleci, jednak dopiero niedawno naukowcy uświadomili sobie możliwości, które oferuje wykorzystanie tych materiałów w zastosowaniach związanych z fotowoltaiką (czyli w ogniwach słonecznych). „Perowskity halogenkowe są pod różnymi względami lepsze od zwykłych półprzewodników, takich jak na przykład krzem”, wyjaśnia Henk Bolink, profesor Instytutu Nauk Molekularnych Uniwersytetu w Walencji w Hiszpanii. „Perowskity wysokiej jakości mogą powstawać w wyniku niezwykle prostych procesów chemicznych. Co więcej, gotowy materiał może obejmować cały widoczny zakres widma światła, od podczerwieni do ultrafioletu. To z kolei otwiera drogę do wykorzystania ich w szeregu zróżnicowanych zastosowań, wśród których można wymienić ogniwa słoneczne i białe diody elektroluminescencyjne”. Głównym problemem utrudniającym komercjalizację tego materiału jest jego opłacalność ekonomiczna. Duże moduły fotowoltaiczne muszą pozwalać na eksploatację przez co najmniej 10 lat, natomiast nowoczesne diody elektroluminescencyjne świecą przez tysiące godzin. „Konieczne jest opracowanie ulepszeń zwiększających stabilność modułów fotowoltaicznych oraz diod elektroluminescencyjnych opartych na perowskitach”, wyjaśnia Bolink. Drugim poważnym problemem jest fakt, że wszystkie wysokowydajne ogniwa słoneczne oraz diody elektroluminescencyjne oparte na perowskitach halogenkowych zawierają niewielkie ilości toksycznego ołowiu. Bezołowiowe perowskity pozwoliłyby na wyeliminowanie potrzeby ich izolacji oraz recyklingu. Opracowanie metody przetwarzania perowskitów bez użycia rozpuszczalników sprawiłoby, że stałyby się one jeszcze bardziej atrakcyjną opcją.
Niskotoksyczne alternatywy
Projekt PerovSAMs rozpoczął się w styczniu 2018 roku, a jego uczestnicy zajęli się badaniem niskotoksycznych alternatyw dla perowskitów halogenkowych z zawartością ołowiu, a także opracowywaniem metod ich produkcji bez użycia rozpuszczalników. W pracach wziął udział Francisco Palazon, który otrzymał na ten cel stypendium indywidualne działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Czasem najprostsze pomysły są najlepsze”, mówi Bolink. „Zanim rozpoczęliśmy pracę, nie sądziliśmy, że utarcie razem kilku substancji chemicznych może doprowadzić do powstania tak wielu interesujących materiałów. Zaczęliśmy jednak dostrzegać wielki potencjał tej techniki”. Zespół skupiony wokół projektu badał różne składy chemiczne. „Dążenie do zastąpienia ołowiu bardziej przyjaznymi dla środowiska metalami doprowadziło nas do bliższego zapoznania się z bardziej nietypowymi materiałami, takimi jak na przykład trójskładnikowe halogenki miedzi”, dodaje Bolink. Głównym wyzwaniem było przekształcenie sproszkowanych materiałów w cienkie warstwy, takie jak te wykorzystywane na przykład w ogniwach słonecznych. Zespół opracował w związku z tym technikę podgrzewania proszku wewnątrz komory próżniowej, która pozwoliła na kondensację materiałów w taki sposób, by te utworzyły docelowe podłoże. „Ku naszemu zaskoczeniu odkryliśmy również, że wysokiej jakości grudki, które mogą okazać się interesującym materiałem na potrzeby wykrywaczy rentgenowskich, mogą być wytwarzane dzięki prasowaniu proszków”, wyjaśnia Bolink.
Potencjalne zastosowania w przemyśle
Sukces zespołu projektu PerovSAMs w opracowaniu procesu produkcyjnego opartego na próżni, a także wytwarzaniu niskotoksycznych halogenków miedziowych charakteryzujących się jasnoniebieską luminescencją, został już ogłoszony w czasopismach naukowych. „Technologia opracowana w ramach tego projektu ma ogromny potencjał, dzięki któremu może znaleźć zastosowanie w przemyśle”, zauważa Bolink. „Obecnie zajmujemy się optymalizowaniem procesu w celu zwiększenia skali produkcji”. Projekt dał także początek nowemu obszarowi badań nad perowskitami halogenkowymi i optoelektroniką. „Spodziewamy się, że stosowane przez nas techniki znajdą szerokie zastosowanie”, twierdzi Bolink. „To powinno pomóc w procesie odkrywania nowych materiałów oraz ich wykorzystywania w fotowoltaice i innych branżach”. Szybkie tworzenie struktur perowskitowych jest jednym z punktów wyjścia finansowanego przez ERBN projektu HELD, w którym Bolink pełni funkcję kierownika badań. Projekt ten, rozpoczęty we wrześniu 2019 roku, ma na celu opracowanie wysoce luminescencyjnych wielowarstwowych stosów oraz powtarzalnych metod produkcji. „W ramach tego projektu będziemy dalej rozwijać metody opracowane po raz pierwszy w trakcie projektu PerovSAMs, dotyczące przetwarzania proszków w jednorodne cienkie warstwy”, podsumowuje.
Słowa kluczowe
PerovSAMs, perowskity halogenkowe, słoneczne, elektroluminescencyjne, fotowoltaiczne, toksyczne, luminescencyjne, optoelektronika, bez rozpuszczalników, substancja chemiczna
