Przybliżenie perowskitowych ogniw słonecznych do komercjalizacji
Perowskitowe ogniwa słoneczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor centrum badawczego BCMaterials(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), aby każdy mógł odtworzyć pracę i nauczyć się, jak tworzyć ogniwa słoneczne”. Zespół przeanalizował również mechanizmy(odnośnik otworzy się w nowym oknie) działania urządzenia, wykorzystując spektroskopię admitancyjną, metodę pomiaru przenoszenia ładunków. Do przewidzenia, jak będą działać perowskity, a także nowe warstwy, wykorzystali oni uczenie maszynowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Optymalizujemy powierzchnię styku, wykorzystując różne innowacyjne materiały, nie tylko grafen. Jest ona bardzo ważna, bo to «serce» każdego urządzenia elektrycznego”, mówi.
