Przełom w fotowoltaice
Rozwój technologii fotowoltaicznych i stosowanie przyjaznych dla środowiska przetworzonych nanomateriałów do budowy nanokrystalicznych ogniw słonecznych skutkują powstawaniem coraz bardziej zrównoważonych rozwiązań. Wytwarzanie doskonałych i wysokowydajnych materiałów fotowoltaicznych i fotoluminescencyjnych umożliwiają w szczególności nanokryształy perowskitu metalohalogenkowego, które charakteryzują się doskonałymi właściwościami optoelektronicznymi, w tym wydajnością kwantową fotoluminescencji przekraczającą 90 %. Naukowcy skupieni wokół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu FASTEST opracowali wysokowydajną metodę syntezy stabilnych nieorganicznych nanokryształów perowskitu, opartą na przetwarzaniu w temperaturze pokojowej w warunkach otoczenia. Nowa metoda wykorzystuje obróbkę przy pomocy antyrozpuszczalnika w celu uzyskania ponownego wytrącania nanokryształów. Wytwarzanie nanokryształów perowskitu wymaga wprowadzenia roztworu prekursora perowskitu do mieszaniny antyrozpuszczalnika, oczyszczenia roztworu nanokryształów za pomocą rozpuszczalników, zebrania nanokryształów przy pomocy wirówki, a następnie formowania perowskitu dzięki wykorzystaniu techniki osadzania warstwowego. „Celem wykorzystania tej metody jest zwiększenie wydajności reakcji prowadzącej do powstawania nanokryształów perowskitu w odpowiednim stanie. Wszystko wskazuje na to, że ta nowa metoda może stanowić proste i niezawodne rozwiązanie umożliwiające wytwarzanie nanokryształów perowskitu w warunkach otoczenia bez konieczności stosowania próżni oraz kontroli temperatury”, wyjaśnia koordynator projektu Min Kim. „Zakładamy, że wykorzystanie naszej metody będzie możliwe również w przypadku nanokryształów perowskitu wykorzystujących inne metale (na przykład german, cynę, bizmut czy srebro) na potrzeby zróżnicowanych zastosowań optoelektronicznych, takich jak diody elektroluminescencyjne, ogniwa fotowoltaiczne, lasery czy wykrywacze fotonów”.
Co nowego w laboratorium?
Jednym z głównych wyzwań związanych z wytwarzaniem nanokryształów perowskitu była wysokowydajna synteza monodyspersyjnych roztworów nanokryształów o określonych właściwościach optycznych oraz przetwarzanie tych roztworów na wysokiej jakości warstwy nanokrystaliczne. Na pierwszym etapie projektu, gdy Kim starał się rozwiązać ten problem, pojawiła się kolejna przeszkoda – stabilność zsyntetyzowanego nanokryształu nie pozwalała na wykorzystanie go do wytwarzania urządzeń. Stało się tak dlatego, że antyrozpuszczalnik dodany do rozpuszczalnika krystalizującego może powodować zrywanie niektórych organicznych ligandów, które powinny być przyłączone do powierzchni perowskitu. „Z tego powodu dodałem do mieszaniny rozpuszczalnika krystalizującego dodatkowy rozpuszczalnik koordynujący, który – jak się okazało – zwiększył wydajność produkcji. Rozpuszczalnik koordynujący stanowi kluczowy element prac, jednak nie mogę ujawnić nazwy substancji chemicznej ze względu na trwający właśnie proces uzyskiwania ochrony patentowej”, dodaje Kim.
Perowskity – rozwiązanie na dziś i na przyszłość
Główną zaletą charakteryzującą perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne jest niski koszt w porównaniu z innymi rodzajami technologii. „Mam nadzieję, że produkcja ogniw słonecznych opartych na nanokryształach perowskitu będzie mogła zostać wykorzystana w połączeniu z technologią druku wielkopowierzchniowego, co pozwoli na znaczące zwiększenie skali produkcji, ułatwi wprowadzenie rozwiązania na rynek i zwiększy popularność dużych i wysokowydajnych modułów fotowoltaicznych”, dodaje Kim. Prowadzone przez niego badania nie dobiegły jednak jeszcze końca. Obecnie badacz zamierza skoncentrować się na innych perowskitach niezawierających szkodliwego dla środowiska i zdrowia ludzkiego ołowiu. „W poszukiwaniach odpowiedniego połączenia materiałów perowskitowych zamierzam wykorzystać symulacje komputerowe, a także opracowaną wcześniej technikę syntezy”, wyjaśnia badacz.
Słowa kluczowe
FASTEST, perowskit, nanokryształ, fotowoltaika, ogniwa słoneczne, materiały, optoelektronika, fotoluminescencja
