Opracowanie wydajnych, bezołowiowych ogniw słonecznych
Ogniwa fotowoltaiczne, zwane również słonecznymi, przekształcają światło słoneczne w prąd elektryczny. Produkcja najbardziej popularnego ogniwa krzemowego rozpoczęła się już w latach 50. XX wieku. Jest ona jednak dość złożona i energochłonna. Dlatego opracowano nową wersję ogniwa, która rozwiązuje te problemy. Dostępne na rynkach od 2009 roku ogniwa perowskitowe wzięły swoją nazwę od minerału. Technicznie rzecz biorąc, minerał ten ma określoną strukturę kryształów, charakterystyczną dla wielu materiałów, stąd też w przemyśle ogniw słonecznych nazwa „perowskitowy” odnosi się raczej do struktury, nie zaś do samego minerału. Ogniwa perowskitowe są efektywne pod względem wytwarzanej energii elektrycznej, a przy tym ich produkcja jest łatwa i niedroga. Cały szereg wyraźnych zalet w stosunku do wcześniejszych technologii ogniw słonecznych dość szybko przełożył się na sukces ogniw perowskitowych, czyniąc z nich najbardziej obiecującą nową generację ogniw słonecznych na świecie. Niestety zawierają one toksyczny ołów, który jest stopniowo wycofywany z urządzeń elektronicznych. Dlatego badacze związani z sektorem ogniw słonecznych koncentrują się obecnie na poszukiwaniu alternatywnych perowskitów.
Badania nad podwójnymi perowskitami
Zespół finansowanego z UE projektu PhotSol, zrealizowanego dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”, zbadał takie alternatywy. Badacze wzięli pod lupę perowskity bezołowiowe, w tym tak zwany perowskit podwójny. Okazało się jednak, że wydajność elektryczna tych materiałów jest niska. Wobec tego podjęto próbę podniesienia wydajności poprzez zidentyfikowanie i wyeliminowanie wąskich gardeł, które obniżają efektywność systemu na skutek działania niezwykle złożonych mechanizmów straty. Wąskie gardła tworzą się zwykle wskutek defektu materiału. Takim defektem może być deformacja struktury lub zanieczyszczenie kryształu, zaś jego źródłem – powierzchnie lub interfejsy. „Kiedy już ustalimy, jakiego rodzaju defekty ograniczają wydajność, możemy podjąć konkretne działania, by wyeliminować je z procesu produkcji urządzenia”, wyjaśnia Wolfgang Tress, starszy badacz biorący udział w projekcie. „Jeśli na przykład głównym winowajcą są interfejsy, jak to często bywa w przypadku ogniw słonecznych, zastosowanie warstw pasywacji lub zastąpienie warstw międzyfazowych innymi może zmniejszyć gęstość defektów”.
Przeszkody i nowy kierunek
Choć zespół z powodzeniem udokumentował wąskie gardła charakterystyczne dla podwójnego perowskitowego ogniwa słonecznego, ostatecznie uznał, że potencjał tego materiału jest niewystarczający, by można go było wykorzystać do budowy wydajnych ogniw słonecznych. Co więcej, wyniki prac zespołu były trudne do odtworzenia – jest to problem, który często dotyka badaczy perowskitów. Dlatego konsorcjum zarzuciło ten kierunek, by ostatecznie skoncentrować się na podobnych, choć nowszych materiałach. Niemniej jednak badanie przyniosło korzyści w postaci protokołów charakterystyki właściwości. „Dzięki charakterystyce właściwości dokonaliśmy bezprecedensowego odkrycia”, dodaje Tress. „Udało się nam zmierzyć po raz pierwszy widmo elektroluminescencji”. Można tego dokonać, jeśli wykorzysta się ogniwo słoneczne jako diodę emitującą światło, wówczas po przyłożeniu prądu należy dokonać detekcji emisji. Zgodnie z przewidywaniami sygnał był bardzo słaby, natomiast nie bez zdziwienia badacze przyjęli fakt, że otrzymane widmo różniło się od widma fotoluminescencji. W perowskitach ołowiowych widma elektroluminescencji i fotoluminescencji są zwykle identyczne. Przyczyna takiej różnicy nie jest znana, lecz zespół z dużym entuzjazmem podszedł do możliwości jej zbadania. Badacze będą kontynuowali opracowywanie nowych technologii fotowoltaicznych, koncentrując się na zjawiskach fizycznych, dzięki czemu będą mogli udoskonalić konstrukcję urządzeń. Tress otrzymał ponadto od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych grant dla badaczy rozpoczynających niezależną karierę, który pomoże w realizacji tego celu. Ostatecznie, prace prowadzone w ramach projektu PhotSol przyczynią się do opracowania prawdziwie wydajnych i bezołowiowych ogniw słonecznych. Ich powszechna dostępność i popularność z pewnością przełoży się na zmniejszenie zależności światowego przemysłu od paliw kopalnych, wyraźnie ograniczając emisje gazów cieplarnianych.
Słowa kluczowe
PhotSol, ogniwa słoneczne, perowskit, bezołowiowy, fotowoltaiczny, perowskit podwójny