Materiały perowskitowe są dobrze znane od wielu lat, ale pierwsze zastosowanie ich do budowy ogniwa słonecznego zostało opisane m.in. przez Tsutomu Miyasaka zaledwie w 2009 r. Zbudowane ogniwo opierało się na architekturze barwnikowych ogniw słonecznych i posiadało sprawność tylko 3,8%. Co więcej, ponieważ zastosowano ciekły korozyjny elektrolit, ogniwo było stabilne jedynie przez kilka minut.
Stabilne ogniwa na bazie materiału perowskitowego zbudowano zaledwie na początku poprzedniej dekady. To bardzo młoda i nowatorska technologia, w której niewątpliwie ma swój udział Olga Malinkiewicz. W trakcie studiów Olga Malinkiewicz opracowała nowatorską architekturę perowskitowych ogniw słonecznych, pozwalającą po raz pierwszy na wytwarzanie takich urządzeń w niskich temperaturach, przy zachowaniu wysokiej wydajności. Swoje osiągnięcie przedstawiła w opublikowanej 22 grudnia 2013 r. w „Nature Photon” pracy pt. „ Perowskitowe ogniwa słoneczne wykorzystujące organiczne warstwy transportujące ładunek” (Malinkiewicz O., Yella A., Lee Y. I in.).
W streszczeniu publikacji czytamy:
Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne odgrywają ważną rolę w poszukiwaniu czystej energii odnawialnej. Niedawno zidentyfikowano perowskity halogenku metyloamoniowo-ołowiowego jako obiecujące absorbery dla ogniw słonecznych. W ciągu ostatnich trzech lat wydajność ogniw słonecznych na bazie materiału perowskitowego szybko się poprawiła, osiągając sprawność sięgającą 15%. Do tej pory wszystkie zgłoszone wysokowydajne perowskitowe ogniwa słoneczne wykorzystują mezoskopowo* tlenki metalu, takie jak Al2O3, TiO2 lub ZrO2, które wymagają procesu spiekania w wysokiej temperaturze. W artykule pokazujemy, że warstwy perowskitu jodku ołowiu metyloamoniowego, umieszczone pomiędzy dwiema cienkimi organicznymi warstwami przenoszącymi ładunek, również prowadzą do budowy ogniw słonecznych o wysokiej wydajności konwersji mocy (12%). Aby zapewnić wysoką czystość, warstwy perowskitu przygotowano metodą sublimacji w komorze o wysokiej próżni. Ta prosta płaska struktura urządzenia i procesy osadzania w temperaturze pokojowej są odpowiednie dla wielu podłoży przewodzących, w tym tworzyw sztucznych i tekstyliów.
Badacze i naukowcy w laboratoriach instytutów naukowych i uczelni na całym świecie intensywnie poszukują metod zwiększających trwałość fotowoltaiki perowskitowej. Naukowcy ze Szwajcarii i Korei Południowej przyjrzeli się mezoskopowej strukturze krystalicznej warstwy perowskitu. Według nich, kluczem stabilności w długim okresie jest zrozumienie mechanizmów stojących za wrażliwością na ciepło i wilgoć, powodujących tak wiele problemów ze stabilnością ogniw słonecznych opartych na tych materiałach perowskitowych. Mimo ogromnego potencjału, sposób, w jaki perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne reagują na ciepło lub wilgoć, ma niebagatelny wpływ na ich stabilność. Naukowcy z EPFL zidentyfikowali przyczynę degradacji i opracowali technikę poprawy stabilności, przybliżając materiały perowskitowe do powszechnego zastosowania tych opłacalnych i wydajnych ogniw słonecznych.
Perowskitowe ogniwa słoneczne (PSC, ang. perovskite solar cell) można wytwarzać z tanich materiałów, są bardzo wydajne, przewyższają uniwersalnością zastosowań tradycyjne krzemowe ogniwa słoneczne. Dzięki tym cechom mają potencjał zrewolucjonizowania energii odnawialnej. Jednak podstawową ich wadą na dzień dzisiejszy, która uniemożliwia ich powszechne stosowanie, jest brak stabilności operacyjnej. Zespoły EPFL i Uniwersytetu Sungkyunkwan w Korei Południowej znaleźli sposób na poprawę stabilności PSC. Naukowcy skupili się na degradacji cienkich warstw perowskitu, które mogą ulec uszkodzeniu pod wpływem wilgoci, ciepła i światła. Badanie zostało przeprowadzone przez grupy profesorów Michaela Grätzela (EPFL) i Nam-Gyu Park (Uniwersytet Sungkyunkwan) i opublikowane w „Science”.
Naukowcy przyjrzeli się dwóm specyficznym aspektom kryształu – strukturze charakteryzującej się szczególnym układem atomów. Układ atomów na ściankach struktury kryształu może wpływać na właściwości i zachowanie kryształu, takie jak jego stabilność i reakcja na bodźce zewnętrzne w postaci wilgoci i ciepła. Naukowcy przyjrzeli się fasetkom** (100) i (111) kryształów perowskitu. Ścianka (100) to płaszczyzna prostopadła do osi c kryształu z atomami ułożonymi w powtarzający się wzór w postaci kwadratowej siatki. W ściance (111) atomy są ułożone w trójkątną siatkę.
Badanie wykazało, że ścianka (100), która jest najczęściej spotykana w cienkich warstwach perowskitu, jest szczególnie podatna na degradację, ponieważ może szybko przejść do niestabilnej, nieaktywnej fazy pod wpływem wilgoci. Z kolei ścianka (111) okazała się znacznie bardziej stabilna i odporna na degradację. Naukowcy zidentyfikowali również przyczynę degradacji i stwierdzili, że było to spowodowane silnym wiązaniem między perowskitem a cząsteczkami wody, co powodowało przejście z fazy stabilnej do niestabilnej. Informacje te posłużyły do opracowania strategii zwanej inżynierią fasetkową***, w której wykorzystano specjalne cząsteczki liganda**** do wyhodowania bardziej stabilnej fasetki (111). W rezultacie powstały folie perowskitowe, które były wyjątkowo stabilne i odporne zarówno na wilgoć, jak i ciepło.
Badanie stanowi ważny krok naprzód w rozwoju PSC, ponieważ stabilność jest główną przeszkodą w ich komercjalizacji. Odkrycia pozwalają lepiej zrozumieć, w jaki sposób różne aspekty kryształów przyczyniają się do stabilności urządzeń w skali komercyjnej. Poprzez określenie najbardziej stabilnych aspektów i znalezienie sposobów wspierania ich wzrostu być może uda się poprawić ogólną stabilność PSC i przyspieszyć ich wejście na rynek jako niezawodnego i opłacalnego źródła energii odnawialnej.
* Zjawiska mezoskopowe występujące w układach o rozmiarach rzędu µm, inne zarówno od obserwowanych w mikroświecie (w układach pojedynczych atomów lub molekuł, opisywanych przez mechanikę kwantową), jak i od występujących w makroświecie (w obiektach składających się z bardzo dużej liczby cząstek, podlegających prawom mechaniki klasycznej).
** Fasetki to płaskie powierzchnie geometrycznych kryształów.
*** Inżynieria fasetkowa to ważna strategia dostrajania fizycznych, chemicznych i elektronicznych właściwości powierzchni kryształu, która zapewnia skuteczną drogę do poprawy wydajności urządzeń opartych na kryształach. Bada się, czy na cienkiej warstwie perowskitu można formować wysokiej jakości kryształy z przestrajanymi fasetkami. Wysokiej jakości kryształy i przestrajane fasety są skutecznymi strategiami dalszej poprawy wydajności i stabilności urządzeń perowskitowych.
**** Ligand to atom, cząsteczka lub anion w związkach kompleksowych, który jest przyłączony bezpośrednio do atomu centralnego lub kationu centralnego zwanego rdzeniem kompleksu.
Oprac. M. Grabania
Źródła: Nature Photonics, EPFL Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
