Duży krok w stronę stabilnych i bezołowiowych perowskitowych ogniw słonecznych
Dzięki swojej fascynującej strukturze i właściwościom perowskit wysunął się na pierwszy plan badań w zakresie inżynierii materiałowej. Naukowcy sprawdzają jego przydatność w wielu różnych zastosowaniach. Najczęściej rozpatrywane są perowskity metalohalogenkowe – podzbiór hybrydowych organiczno-nieorganicznych perowskitów zawierających jony halogenkowe, na przykład jodkowe lub bromkowe – ze względu na ich ogromny potencjał związany z przekształcaniem energii słonecznej na prąd elektryczny. Materiały te odkryto w 2009 roku. Od tego czasu ich efektywność jest nieustannie zwiększana: z 3,8 % na początku do ponad 25 % obecnie. Praktyczne zastosowanie tych materiałów jest utrudnione z wielu powodów. Ich składniki są powszechne, a badacze mogą w prosty sposób wytwarzać cienkie błony o wysoce krystalicznej strukturze podobnej do tej, jaką charakteryzują się wafle krzemowe uzyskiwane w kosztownym procesie obróbki w wysokiej temperaturze. Być może pewnego dnia możliwe będzie szybkie wytwarzanie rolek cienkich i elastycznych przezroczystych błon perowskitowych z użyciem drukarek 3D, co z kolei umożliwi stosowanie lekkich, kolorowych paneli fotowoltaicznych zintegrowanych z oknami i fasadami budynków – rozwiązanie raczej niemożliwe w przypadku ogniw na bazie krzemu. Niestety perowskity metalohalogenkowe mogą szybko ulegać degradacji, ponieważ są wrażliwe na działanie wilgoci i ciepła. Stabilność to zresztą nie jedyny problem. Toksyczność związana z zawartym w nich ołowiem jest poważną przeszkodą na drodze do komercyjnego wykorzystania perowskitów. Celem projektu TinPSC, finansowanego ze środków programu „Maria Skłodowska-Curie”, było znalezienie rozwiązania tych kwestii.
Bezołowiowe perowskity podwójne
„Skoncentrowaliśmy się na opracowaniu bezołowiowych perowskitów podwójnych – zupełnie nowych związków, w których dwuwartościowy ołów zastąpiono metalem jednowartościowym i metalem trójwartościowym. Wykorzystaliśmy wyniki poprzednich badań, w czasie których uzyskaliśmy ogniwo o wysokiej stabilności, doskonałych własnościach elektronicznych i długości drogi dyfuzji przekraczającej 100 nm. Tak wysokie wartości wskazują, że materiał ten jest wartościowy i sprawdzi się w zastosowaniach optoelektronicznych”, zauważa Feng Wang, koordynator projektu TinPSC. Działania prowadzone w ramach projektu skupione były na opracowaniu skutecznych metod zmniejszania przerwy energetycznej bezołowiowych perowskitów podwójnych, głównego czynnika ograniczającego efektywność absorpcji światła. Zaletą perowskitów jest możliwość dowolnej regulacji ich przerwy energetycznej poprzez modyfikację ich składu. Cecha ta daje nadzieję na zwiększenie efektywności absorpcji. „Stosując domieszkowanie miedzią, udało nam się rozszerzyć krawędź absorpcji Cs2AgBiBr6 na zakres bliskiej podczerwieni. Wyniki wykazały, że dodatek miedzi ma niewielki wpływ na pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa domieszkowanej struktury, ale pozwala uzyskać stany pośrednie, które znacznie poprawiają efektywność pochłaniania światła podczerwonego. Co jeszcze ciekawsze, stan leżący poniżej przerwy energetycznej może generować dużą liczbę nośników w wyniku wzbudzenia światłem z zakresu bliskiej podczerwieni”, wyjaśnia Wang. Badacze wypracowali także metodę projektowania struktury kryształów umożliwiającą modyfikowanie przerwy energetycznej materiału. „Kontrolując temperaturę i szybkość wzrostu kryształów, zmniejszyliśmy przerwę energetyczną do rekordowej wartości 1,72 eV. To najmniejsza w historii przerwa energetyczna odnotowana dla Cs2AgBiBr6 w warunkach otoczenia”, dodaje Wang. Zmniejszenie tej przerwy potwierdzono za pomocą pomiarów widm absorpcji i fotoluminescencji.
Zwiększanie odporności na temperaturę i wilgoć
Konstrukcja badanego ogniwa słonecznego nie odbiega od typowych rozwiązań: cienka błona perowskitowa umieszczana jest pomiędzy dwiema warstwami przenoszącymi ładunek. Po wystawieniu na działanie światła dziury i elektrony z sieci krystalicznej perowskitu przesuwają się w kierunku warstw zewnętrznych, w wyniku czego powstaje prąd elektryczny. Warstwy transportujące elektrony i dziury odgrywają istotną rolę w ograniczaniu strat związanych z rekombinacją na złączach, które zakłócają przepływ elektronów do odbiornika. Stabilność warstw transportujących w dużej mierze decyduje o stabilności całego ogniwa. Zespół projektu opracował unikatowy sposób na ochronę warstwy transportującej dziury przed wilgocią i wysoką temperaturą, jednak nie ujawnił żadnych szczegółowych informacji na ten temat. Zespół twierdzi, że opracowane w ramach projektu perowskitowe ogniwa słoneczne będą znacznie bardziej stabilne niż te stosowane obecnie.
Słowa kluczowe
TinPSC, perowskit, ogniwo słoneczne, stabilność, bezołowiowe, wilgoć, perowskity metalohalogenkowe, krzem, warstwa transportująca dziury
