Nowe, obiecujące rozwiązania w dziedzinie ogniw słonecznych mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki pozyskujemy energię ze słońca. Naukowcy z międzynarodowego zespołu, pracując nad problemem stabilności ogniw perowskitowych, opracowali nowatorską metodę, która dramatycznie poprawiła zarówno ich stabilność, jak i wydajność. Przełom ten może otworzyć drogę do szerokiego zastosowania tej technologii w przyszłości.
Ogniwa perowskitowe – obiecujący, ale niestabilny potencjał
Ogniwa perowskitowe, z racji niskich kosztów produkcji i wysokiej wydajności na jednostkę powierzchni, od dawna przyciągają uwagę naukowców i inwestorów. Ich potencjał wydaje się ogromny, jednak poważnym ograniczeniem stanowiła ich niestabilność. W porównaniu do standardowych ogniw krzemowych, ogniwa perowskitowe z upływem czasu traciły wydajność znacznie szybciej, co utrudniało ich komercjalizację.
Innowacyjna powłoka: klucz do stabilności i wydajności
Międzynarodowy zespół badawczy, pod przewodnictwem profesora Antonio Abate, dokonał przełomowego odkrycia, które adresuje ten problem. Naukowcy opracowali nowatorską metodę polegającą na zastosowaniu specjalnej powłoki na granicy pomiędzy powierzchnią warstwy perowskitowej a warstwą styku. To subtelne, ale niezwykle skuteczne rozwiązanie zaowocowało dramatycznym wzrostem stabilności ogniw i jednocześnie podniosło ich wydajność do prawie 27 %, co stanowi aktualny rekord w tej dziedzinie.
Zespół obejmował naukowców z Chin, Włoch, Szwajcarii i Niemiec. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Nature Photonics".
Mechanizm działania nowej powłoki
Kluczem do sukcesu jest zastosowanie związków fluoru, które formują niemalże idealną, monomolekularną warstwę pomiędzy warstwą perowskitu a warstwą styku, wykonanej z buckyballi (C60). Profesor Abate opisuje to jako "efekt Teflonu", ponieważ ta cienka warstwa chemicznie izoluje warstwę perowskitu od styku, minimalizując defekty i straty energii. Ponadto, ta pośrednia warstwa zwiększa stabilność strukturalną zarówno warstwy perowskitu, jak i warstwy styku, szczególnie poprawiając jej jednorodność i gęstość. W ten sposób utrzymywany jest optymalny kontakt elektryczny, przy jednoczesnej redukcji szkodliwych interakcji.
Duży wkład w realizację tego projektu wniósł Guixiang Li, który podczas pracy jako doktorant w grupie profesora Abatego przeprowadził znaczne ilości eksperymentów. Obecnie profesor Li prowadzi badania naukowe na Uniwersytecie Południowo-Wschodnim w Nanjing, w Chinach, i kontynuuje współpracę z zespołem profesora Abatego. W projekcie uczestniczyli również badacze z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Imperial College London.
Wyniki badań: rekordowa stabilność i wydajność
Zastosowanie tej innowacyjnej metody pozwoliło na osiągnięcie efektywności ogniw perowskitowych na poziomie 27 %, co jest nieznacznie wyższe od uzyskiwanych dotychczas wyników (26 %). Jednak największym sukcesem jest dramatyczny wzrost stabilności. Ogniwa poddane działaniu intensywnego światła słonecznego przez 1200 godzin – co odpowiada około roku eksploatacji w warunkach zewnętrznych – nie wykazały żadnego spadku wydajności. W porównaniu z tymi wynikami, ogniwa bez tej specjalnej powłoki straciły aż 20 % wydajności po zaledwie 300 godzinach ciągłego oświetlenia.
Poza stabilnością pod działaniem światła, ogniwa te wykazują również wyjątkową stabilność termiczną, zachowując parametry w ekstremalnych warunkach: podczas starzenia w temperaturze 85 °C przez 1800 godzin oraz podczas cykli temperaturowych pomiędzy –40 °C a +85 °C.
Ogniwa słoneczne oparte na technologii perowskitowej, w tej konfiguracji (p-i-n), doskonale nadają się do wykorzystania w tzw. ogniwach tandemowych, które łączą zalety różnych technologii, na przykład ogniw perowskitowych i krzemowych, aby uzyskać jeszcze wyższą wydajność.
Inspiracja i przyszłość technologii
Profesor Abate podkreśla, że pomysł wykorzystania związków fluoru do formowania pośredniej warstwy w ogniwach perowskitowych kiełkował w jego głowie od czasów pracy w laboratorium Henry'ego Snaitha, pioniera badań nad technologią perowskitową. Już w 2014 roku, gdy wydajność tych ogniw wynosiła jedynie 15 %, a ich stabilność była bardzo niska, naukowcy poszukiwali sposobów na poprawę ich parametrów. Obecne wyniki stanowią więc zwieńczenie wieloletnich badań i otwierają nowe perspektywy dla rozwoju technologii perowskitowej.
Przełomowe odkrycie profesora Abatego i jego zespołu stwarza solidną podstawę dla kolejnej generacji optoelektronicznych urządzeń perowskitowych, które będą charakteryzować się zarówno wysoką wydajnością, jak i wyjątkową stabilnością. Można spodziewać się, że w niedalekiej przyszłości technologia ta znajdzie szerokie zastosowanie w produkcji energii odnawialnej.