Ogniwa słoneczne o innowacyjnej strukturze wyznaczają nowe standardy pod względem sprawności
Poziom sprawności konwersji światła słonecznego w prąd elektryczny wzrósł w wypadku małych urządzeń z perowskitu (poniżej 1 cm2) z 3,8 % do 25 % – co pozwala na potwierdzenie koncepcji, ale jeszcze nie na zasilanie czegokolwiek. Sprawność przeznaczonych do użytku urządzeń modułowych pozostaje daleko w tyle i wynosi zaledwie 16,1 %. Sprawność dostępnych na rynku paneli krzemowych wynosi około 20 %, a u najlepszych urządzeń o małej powierzchni – 26 %.
W pogoni za sprawnością
„Parowskity mogą być potencjalnie o wiele tańsze i doprowadzić do otwarcia nowych rynków dla lekkich, elastycznych źródeł energii słonecznej”, mówi Giles Eperon, główny badacz finansowanego przez UE projektu Crystal Tandem Solar oraz współzałożyciel i kierownik naukowy podmiotu kierującego projektem – start-upu Swift Solar. Eperon tłumaczy jednak, że nowe rozwiązanie musi zapewniać sprawność na poziomie co najmniej 20 %, by konkurować z produktami krzemowymi. Sprawność, którą można osiągnąć w praktyce za pomocą jednozłączowego ogniwa słonecznego z perowskitu składającego się tylko z jednego półprzewodnika absorbującego światło, jest jednak ograniczona. Zasadniczo wynosi ona około 27 %. „Aktualne badania zbliżają nas do tego poziomu. Osiągnęliśmy wartość 25 %, ale im bliżej do tej granicy, tym trudniej jest zwiększać sprawność i prace badawcze spowalniają. Wykres sprawności opublikowany przez Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej wyraźnie to pokazuje”, tłumaczy Eperon. Uczestnicy projektu Crystal Tandem Solar próbowali pokonać te granicę, stosując dwie warstwy absorbującego światło półprzewodnika w strukturze „tandemowej”. Eperon wyjaśnia: „Pozwoli to znacząco podnieść limit sprawności praktycznej i pozwoli na wprowadzenie ulepszeń mogących konkurować z panelami krzemowymi”. Pierwotny plan zakładał wykorzystanie w projekcie struktur tandemowych z krzemu i perowskitu. Tuż przed rozpoczęciem projektu dokonano jednak przełomowego odkrycia, które pokazało, że struktury tandemowe złożone z dwóch warstw perowskitu mogą być bardzo sprawne. „Przerzuciliśmy się więc na tę interesującą technologię, ponieważ dawała możliwość opracowania jeszcze tańszych ogniw słonecznych, które zachowałyby atuty perowskitu – a mianowicie elastyczność i lekkość”, zaznacza Eperon. Wiązało się to z nowymi wyzwaniami. „W wypadku krzemu wystarczyłoby zanurzenie wafla w roztworze, z którego uzyskuje się perowskit. Gdyby w ten sam sposób użyć jednak dwóch perowskitów, pierwszy z nich rozpadłby się w wyniku kontaktu z roztworem”. W celu obejścia tego problemu Eperon, który prowadził swoje badania przy wsparciu w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, skupił się przede wszystkim na opracowaniu wytrzymałej międzywarstwy ochronnej. „Dzięki temu mogliśmy dokonać obróbki pierwszego perowskitu umieszczonego na drugim minerale bez powodowania żadnych szkód. Wymagało to zastosowania warstw tlenków naniesionych za pomocą metody osadzania warstw atomowych i napylania”, objaśnia Eperon. Zastosowanie w projekcie monokrystalicznej warstwy perowskitu miało całkowicie wyeliminować straty energii wynikające z grubości ziarna i zwiększyć sprawność konstrukcji. Choć nie do końca się to udało, Eperon był wstanie wyhodować przy użyciu zmodyfikowanych metod syntezy nanokryształów duże, cienkie, przypominające płytki kryształy o uregulowanym kształcie. Uzyskał międzywarstwę pozwalającą na otrzymanie kryształu na podłożu w postaci pierwszego minerału. Praca ta bezpośrednio przyczyniła się do otrzymania najlepszych parametrów wśród urządzeń tandemowych z perowskitów. „Dzięki tej pracy po ukończeniu projektu otrzymałem propozycje zatrudnienia od Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej w Kolorado w Stanach Zjednoczonych i kontynuowania badań w tym obszarze. Doprowadziło to do kolejnych przełomowych wyników i ustanowienia nowego rekordu sprawności tandemowych struktur perowskitowych. „W trakcie projektu wspólnie z moimi partnerami założyłem start-up Swift Solar, by skomercjalizować technologię tandemowego wykorzystania perowskitów, nad którą pracowałem. Ponieważ coraz bardziej potrzebujemy czystej energii, ta technologia zaczyna budzić rosnące zainteresowanie”.
Słowa kluczowe
Crystal Tandem Solar, perowskitowe ogniwa słoneczne, Swift Solar, perowskitowe urządzenia tandemowe
