Zespół naukowców z Wydziału Nauk Stosowanych i Inżynierii Uniwersytetu w Toronto wykorzystał mechanikę kwantową do optymalizacji warstwy aktywnej w urządzeniu znanym jako perowskitowe odwrócone ogniwo słoneczne. Technologia ta pewnego dnia może zdominować rynek ogniw fotowoltaicznych.
Obecnie praktycznie wszystkie komercyjne ogniwa słoneczne są wykonywane z krzemu o wysokiej czystości, którego produkcja wymaga użycia znacznej ilości energii. Dlatego naukowcy na całym świecie eksperymentują z alternatywnymi technologiami fotowoltaicznymi, które można by stosować, zużywając mniej energii. Ograniczenie kosztów produkcji oraz możliwość łatwego wytwarzania ogniw mogą przyczynić się do masowego zastosowania fotowoltaiki do produkcji energii elektrycznej bezpośrednio w miejscu jej poboru.
Jedna z tych alternatyw, która jest badana w laboratorium Sargent Group Uniwersytetu w Toronto, jest znana jako perowskit. Siła materiałów perowskitowych wynika z ich wyjątkowej struktury krystalicznej, która umożliwia im pochłanianie światła w bardzo cienkiej warstwie i efektywne przekształcanie go w energię elektryczną. – Kryształy perowskitu są wytwarzane z ciekłego atramentu i nakładane na powierzchnie przy użyciu technologii, która jest już dobrze ugruntowana w branży, takiej jak drukowanie z rolki na rolkę – mówi Hao Chen, dr hab. w laboratorium Sargenta, jeden z czterech autorów artykułu pt. „Heterostruktury dostrojone pod względem wielkości kwantowej umożliwiają wytworzenie wydajnych i stabilnych ogniw słonecznych z odwróconego perowskitu”, opublikowanego w „Nature Photonics”. Z tego powodu ogniwa słoneczne z perowskitu mogą być masowo produkowane przy znacznie niższym zużyciu energii niż krzem. Wyzwanie polega na tym, że obecnie ogniwa perowskitowe pozostają w tyle pod względem stabilności w porównaniu do tradycyjnych ogniw krzemowych.
Chen wraz ze współautorami – Samem Teale, badaczami Bin Chen i Yi Hou – wykorzystują strategię opartą na odwróconej strukturze ogniwa słonecznego. W większości prototypowych perowskitowych ogniw słonecznych elektrony wędrują od elektrody ujemnej z dolnej warstwy ogniwa, a powstające dziury od elektrody dodatniej na górnej warstwie. Odwrócenie tego układu umożliwia zastosowanie alternatywnych technik wytwarzania. Wcześniejsze badania wykazały, że mogą one poprawić stabilność warstwy perowskitu, jednak zmiana wiąże się z utrata wydajności. Zespół przezwyciężył to ograniczenie, korzystając z praw fizycznych mechaniki kwantowej.
Wydajność konwersji energii ogniw zespołu została zmierzona na poziomie 23,9% i nie zanikała po 1000 godz. pracy w temperaturze pokojowej. Nawet w przypadku poddania standardowemu branżowemu procesowi przyspieszonego starzenia w temperaturach do 65 °C, wydajność spadła tylko o 8% po ponad 500 godz. użytkowania.
Przyszłe prace będą koncentrować się na dalszym zwiększaniu stabilności ogniw, także w jeszcze wyższych temperaturach. Zespół chciałby również zbudować komórki o większej powierzchni, ponieważ obecne mają tylko około 5 mm². Osiągnięte do tej pory wyniki perowskitowej alternatywnej technologii fotowoltaicznej dobrze wróżą na przyszłość.
Zdjęcie główne: dr hab. Hao Chen prezentuje prototyp odwróconego ogniwa słonecznego z perowskitu. Zespół wykorzystał mechanikę kwantową, aby poprawić zarówno stabilność, jak i wydajność tej alternatywnej technologii słonecznej (zdjęcie: Bin Chen)
Zdjęcie tekst: Optica przedstawia komórkę elementarną podstawowowej struktury ABX3 perowskitu.
Źródło: University of Toronto
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
