Przybliżenie perowskitowych ogniw słonecznych do komercjalizacji
Perowskitowe ogniwa słoneczne to przełomowa technologia, która może zwiastować ogromny postęp w dziedzinie energii ekologicznej. Branża fotowoltaiki jest obecnie zdominowana przez technologię krzemową, jednak ogniwa słoneczne oparte na perowskitach – rodzinie sztucznie wytwarzanych kryształów – mogłyby radykalnie zmienić ten paradygmat, potencjalnie zapewniając znacznie wyższą wydajność po ułamku kosztów. Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują ultracienką warstwę materiału półprzewodnikowego, zapewniając obecnie wydajność do 25,7 %, niemal 26,7 %, poziomu uzyskanego przy użyciu krzemu na przestrzeni ostatnich sześciu dekad prac badawczo-rozwojowych. Przy użyciu perowskitu ten kamień milowy udało się osiągnąć w ciągu zaledwie dekady. Mimo że ogniwa słoneczne stały się niezwykle wydajne w tak szybkim tempie, pozostaje kilka przeszkód, które należy pokonać, zanim staną się one konkurencyjną technologią solarną na rynkach komercyjnych. Jednym z głównych problemów jest to, że perowskity są podatne na uszkodzenia środowiskowe oraz degradację. Aby je chronić, badacze pokrywają ogniwa słoneczne dwuwymiarowymi materiałami zwanymi dichalkogenkami metali przejściowych – półprzewodzącymi warstwami o grubości atomu, wykonanymi z materiału przypominającego grafen. Warstwy te zwiększają stabilność i wydajność ogniw słonecznych, poprawiając łączność elektryczną. „To z kolei poprawia napięcie, a tym samym wydajność urządzenia”, mówi Shahzada Ahmad, profesor centrum badawczego BCMaterials Uniwersytetu Kraju Basków. Te dwuwymiarowe materiały charakteryzują się jednak słabym przewodnictwem pionowym, co oznacza, że nie mogą być stosowane w wielu warstwach do tworzenia stabilnych, wysokowydajnych perowskitowych ogniw słonecznych.
Wprowadzenie międzywarstwy i innowacyjnych cząsteczek
W ramach finansowanego ze środków UE projektu SMILIES Ahmad i jego współpracownicy pracują nad pokonaniem tego wyzwania, wykorzystując cząsteczki do wypełnienia luki w łączności elektrycznej i poprawy przewodnictwa pionowego. „Wprowadzamy warstwę o grubości zaledwie kilku atomów, umieszczoną na perowskicie. Minimalizuje to barierę energetyczną i akumulację ładunków na powierzchni styku, aby zintensyfikować ekstrakcję ładunków i poprawić dynamikę przenoszenia ładunków”, wyjaśnia Ahmad, koordynator projektu SMILIES. Badanie to przeprowadzono dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Badanie nowej warstwy cząsteczek
W ramach projektu SMILIES zespół przeprowadził kilka prób swojej nowej technologii, jednocześnie poprawiając stabilność ogniw słonecznych i dążąc do obniżenia ogólnych kosztów. „Nasze wyniki laboratoryjne z prób są całkiem pomyślne i powtarzalne”, zauważa Ahmad. „Opublikowaliśmy również ogólnodostępny protokół, aby każdy mógł odtworzyć pracę i nauczyć się, jak tworzyć ogniwa słoneczne”. Zespół przeanalizował również mechanizmy działania urządzenia, wykorzystując spektroskopię admitancyjną, metodę pomiaru przenoszenia ładunków. Do przewidzenia, jak będą działać perowskity, a także nowe warstwy, wykorzystali oni uczenie maszynowe. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki ich powodzeniu mogli zwiększyć niezawodność ogniwa perowskitowego, mierzoną w warunkach rzeczywistych.
Wszechstronna technologia
„Perowskitowe ogniwa słoneczne wykorzystują bardzo małą ilość materiału”, dodaje Ahmad. „Grubość urządzenia jest mniejsza niż 1 mikron, a grubość perowskitu bliska 500 nm. Perowskity mogą być osadzane z roztworu, więc można je wytwarzać przy niższych kosztach opracowania i wytwarzania”. Oznacza to, że z perowskitów można by nawet zrobić atrament, drukować go przy pomocy zwyczajnej technologii druku, wplatać w tkaniny, a nawet dodawać do materiałów budowlanych. Ahmad będzie kontynuował prace nad technologią przy wsparciu grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. „Optymalizujemy powierzchnię styku, wykorzystując różne innowacyjne materiały, nie tylko grafen. Jest ona bardzo ważna, bo to «serce» każdego urządzenia elektrycznego”, mówi.
Słowa kluczowe
SMILIES, słoneczny, perowskit, komercyjny, rynki, warstwa, ładunek