Jaśniejsza przyszłość dzięki ogniwom słonecznym trzeciej generacji
Trzecia generacja ogniw słonecznych jest na wyciągnięcie ręki. Wszystkie technologie trzeciej generacji, od organicznych ogniw fotowoltaicznych przez kropkę kwantową aż po ogniwa słoneczne z perowskitu, oferują mniejszy rozmiar ogniw i większą wydajność energetyczną za niższą cenę. Jednak na drodze do ich komercjalizacji stoi poważna przeszkoda. Okazuje się bowiem, że ogniwa trzeciej generacji są tak małe i złożone, że w momencie, gdy schodzą z linii produkcyjnej ich struktura przestaje być dla nas widoczna. „Optymalizacja organicznych i nieorganicznych ogniw słonecznych trzeciej generacji opiera się w dużej mierze na metodzie prób i błędów”, mówi Jens Andreasen, specjalista z zakresu badań nad obrazowaniem 3D materiałów energetycznych opartym na promieniowaniu synchrotronowym w instytucie DTU Energy oraz główny badacz finansowanego przez ERBN projektu SEEWHI (Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging). „Efekt jest dwojaki. Po pierwsze, takie działanie znacząco opóźnia poszukiwanie optymalnych połączeń materiałów z uwagi na fakt, że testowanie każdego parametru procesu musi odbywać się z wykorzystaniem gotowych urządzeń. Co jednak ważniejsze, systemy o lepszych osiągach mogą zostać całkowicie pominięte”. Andreasen ma jednak pomysł, jak ten problem rozwiązać. W maju 2016 roku zaczął opracowywać nowoczesne techniki obrazowania 3D w oparciu o ptychograficzną tomografię rentgenowską oraz dyfrakcję rentgenowską 3D. Powodzenie tych działań oznaczać będzie możliwość odróżniania od siebie materiałów wykazujących bardzo subtelne różnice w wysokiej rozdzielczości przestrzennej.
Prawda o nanostrukturach
Weźmy dla przykładu organiczne ogniwa słoneczne. Są one zbudowane z lekkich elementów o niewielkich różnicach w zakresie gęstości. Badanie nanostruktury tych elementów wymaga nowej techniki, która skontrastuje ze sobą różne mikrostrukturalne nieregularności w nanoskali. Choć ma to kluczowe znaczenie dla skorelowania wydajności fotowoltaicznej z warunkami przetwarzania, osiągnięcie tego efektu było niemal niemożliwe przed rozpoczęciem projektu SEEWHI. „Jesteśmy blisko zidentyfikowania różnic w rozdzielczości przekraczającej 10 nm w 3D. Przed rozpoczęciem naszego projektu niemożliwe było poznanie nanostruktury ogniw słonecznych z poziomu bezpośrednich obserwacji, a wyłącznie w drodze wyciągania wniosków z modeli. Nie mieliśmy pewności, jaka jest struktura ogniw słonecznych o najlepszych osiągach”, wyjaśnia Andreasen. Po ustaleniu faktycznej nanostruktury dzięki obrazowaniu rentgenowskiemu Andreasen może ją skorelować z modelami wydajności fotowoltaicznej i dynamiką molekularną, co umożliwi mu ustalenie związku między parametrami przetwarzania a ostateczną strukturą. „Możemy następnie stworzyć pętle sprzężenia zwrotnego i na tej podstawie wytwarzać ogniwa słoneczne o nanostrukturze posiadającej optymalną wydajność”, zauważa badacz. Choć do końca projektu SEEWHI pozostał rok, pierwsze wyniki są bardzo zachęcające. Na uwagę zasługują nowe algorytmy opracowane przez zespół do trójwymiarowej rekonstrukcji danych tomografii ptychograficznej. Uczeni mają nadzieję, że to umożliwi im obrazowanie gotowych ogniw słonecznych w 3D i rozdzielczości 10 nm, jeśli tylko uda się je połączyć z promieniowaniem synchrotronowym czwartej generacji. „Ale na tym nie koniec”, dodaje Andreasen. „Stworzyliśmy jako pierwsi charakterystykę kesterytowego ogniwa słonecznego. Jesteśmy również o krok od sporządzenia schematu, który umożliwi nam modelowanie optymalnej struktury systemu materiałów dowolnych organicznych ogniw słonecznych. Już wkrótce określimy parametry przetwarzania konieczne do wytworzenia takiej struktury w dużym ogniwie słonecznym”. Do czasu zakończenia projektu zespół ma nadzieję zademonstrować modelowanie fotowoltaiczne zmierzonych i ujętych w modelu nanostruktur 3D. Jeśli wkrótce okaże się, że czwarta generacja źródeł synchrotronowych jest zdolna do przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów obrazowania 3D, być może uda im się zobrazować nanostruktury 3D organicznego ogniwa słonecznego z rozdzielczością wystarczającą do wyróżnienia ich domen donorowych i akceptorowych. „Mam nadzieję, że uda nam się stworzyć metodologię, dzięki której eksperymentatorzy nie będą zmuszeni podejmować niezliczonych prób zakończonych błędami, ale zamiast tego będą mogli z łatwością dostrzegać pomijane dotąd możliwości. To może przynieść ważny przełom nie tylko w dziedzinie organicznych ogniw słonecznych, ale także w wielu innych obszarach technologii, w których istotną rolę odgrywają samoorganizujące się struktury w skali od atomowej po mezo”, podsumowuje Andreasen.
Słowa kluczowe
SEEWHI, ogniwa słoneczne, fotowoltaiczny, trzecia generacja, perowskit, obrazowanie rentgenowskie, nanostruktura