Jednym z największych wyzwań jakie stoją przed wykorzystaniem ogniw perowskitowych jest ich trwałość. Mają tendencję do rozpadu w ciągu kilku miesięcy ew. paru lat, podczas gdy krzemowe panele słoneczne mogą trwać ponad dwie dekady. I na tym właśnie aspekcie skupia się dziś większość naukowców i inżynierów na całym świecie. Problem polega na utracie energii elektronów na powierzchni po ich uwolnieniu przez światło słoneczne. Straty te zmniejszają ogólną wydajność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną. Idzie więc o zmniejszenie tych strat.
W tej kwestii ekipa z głównej amerykańskiej politechniki Massachusetts Institute of Technology stawia na pasywację powierzchni materiału, zmieniając jej właściwości w taki sposób, że perowskit nie ulega już tak szybkiej degradacji lub nie traci wydajności. Według prof. Vladimira Bulovica kluczem jest identyfikacja „chemii interfejsów”, czyli miejsca, w którym perowskit spotyka się z innymi materiałami ułatwiający przepływ prądu przez urządzenie. Inżynierowie opracowali metody pasywacji, na przykład za pomocą roztworu, który tworzy cienką powłokę, ale nie do końca rozumieli jak działa ten proces, a przez to nie wiedzieli jak szukać lepszych powłok. I to właśnie stało się obiektem zainteresowania ekipy z MIT. Dokładne zbadanie procesu powlekania pasywacyjnego i jego skutków zaowocowało jak to określa Bulovic „najczystszą jak dotąd mapą drogową tego, co możemy zrobić, aby dopracować wyrównanie energii na styku perowskitów i sąsiednich materiałów”, a tym samym poprawić ich ogólną wydajność, mówi Bulovic.
Podczas gdy większość materiału perowskitowego ma postać idealnie uporządkowanej krystalicznej sieci atomów, ten porządek rozkłada się na powierzchni. Mogą istnieć dodatkowe wystające atomy lub wolne miejsca, w których brakuje atomów, a te wady powodują straty w wydajności materiału. I w tym miejscu pojawia się potrzeba pasywacj. „Stworzyliśmy rodzaj przewodnika po tym, jak dostroić powierzchnie, gdzie znajduje się wiele z tych defektów, aby upewnić się, że energia nie jest tracona na powierzchniach. To naprawdę duże odkrycie w tej dziedzinie. W swojej pracy jako pierwsi wskazaliśmy, jak systematycznie kontrolować i projektować pola powierzchniowe w perowskitach”, dodaje dr Dane deQuilettesa dodając, że istnieją setki różnych rodzajów soli pasywacyjnych i wiele różnych rodzajów perowskitów, więc podstawowa wiedza na temat tego procesu dostarczana przez tę nową pracę może pomóc badaczom w znalezieniu jeszcze lepszych kombinacji materiałów.
Powszechną metodą pasywacji jest opracowana kilka lat temu na MIT kąpiel powierzchni w roztworze soli zwanej bromkiem heksyloammonowym. W ten sposób tworzysz się bardzo cienką warstwę na wierzchu wadliwej powierzchni, która dobrze pasywuje wiele defektów. A brom, który jest częścią soli, wnika w warstwę trójwymiarową w kontrolowany sposób. Pomaga to zapobiegać utracie energii elektronów i poprawia wydajność ogniw. Ostatnie rekordy jakie odnotowano w MIT dla pojedynczej warstwy perowskitowej wahały się od 24 do 26 proc., ale w teoretycznym zasięgu jest 30 proc.
Ubiegły rok obfitował zresztą w pracę naukowców dążących do poprawy trwałość perowskitów, jako jednego z kluczowych czynników pozwalających na komercjalizację tej technologii:
- We wrześniu ubiegłego roku amerykańsko-chiński zespół badaczy z Uniwersytetu Westlake, Instytutu Materiałów Półprzewodnikowych Shangyu, Uniwersytetu Zhejiang, Uniwersytetu Fudan oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i Narodowego Laboratorium Lawrence’a w Berkeley zaprezentował jednak nowy sposób na obróbkę perowskitów. Na łamach periodyku Joule opisał swoją pracę nad pasywacji defektów powierzchniowych z wykorzystaniu π-cząsteczek terpirydyny w formie zasady Lewisa. Dzięki ich wykorzystanie perowskitowe ogniwo słoneczne zyskało wysoką sprawność na poziomie 25,24 proc. a przy tym zwiększyło swoją trwałość. Po pracy przez 2.664 godziny w zywkłych warunkach utraciło jedynie 10 proc. sprawności, a w wysokiej temepraturze 18 proc. po 2.976 godzinach.
- Naukowców z University of Surrey podjęli się za to poprawy słabości na styku perowskitu ołowiowo-cynowego oraz warstwy transportującej ładunki (HTL) z powszechnie wykorzystywanego kompozytu pomierowo-polistyrenowego (PEDOT:PSS). Interakcje chemiczne pomiędzy tymi materiałami prowadziły do powstawania korozji i zmniejszenia wydajności ogniw. Naukowcy odkryli, że reakcje chemiczne powodujące degradację można złagodzić, wprowadzając jod jako środek redukujący. Zwiększyło to wydajność ogniw do 23,2 proc. co jest bardzo dobrym wynikiem dla perowskitów ołowiowo-cynowych, a przede wszystkim żywotność samych ogniw o około 66 proc.
- Z kolei ekipa z City University of Hong Kong na łamach Science opisała opracowane przez siebie innowacje w wytwarzania ogniw perowskitowych, wśród których jest całkowite wyeliminowanie organicznej warstwy transportującej i zastąpienie jej nieorganicznym tlenkiem cyny, związkiem charakteryzującym się wysoką stabilnością termiczną. Stabilność perowskitowych ogniw słonecznych została poprawiona dzięki wykorzystaniu metody osadzania warstw atomowych (Atomic Layer Deposition – ALD) która zoptymalizowała strukturę tzw. wakatów tlenowych w tlenku cyny wpływających na przewodnictwo elektryczne. Dzięki temu powstało bardzo wydajne ogniwo (25 proc.) po 2.000 godzin pracy w trudnych warunkach – temperatura sięgała 65 st. C – zachowało 95 proc. sprawności. Wyeliminowanie organicznej warstwy transportującej zmniejszyło też koszty materiału w procesie produkcyjnym i znacznie uprościło sam proces produkcji.
- Znacząca poprawa trwałości nastąpiła także w przypadku bardzo wrażliwych perowskitów wykorzystujących halogenek cyny (Sn-HP). Z punktu widzenia środowiska są znacznie mniej obciążające niż ogniwa ołowiowe, ale mają niska stabilność i wysoka wrażliwość na wilgoć oraz warunki otoczenia. I nad tymi właśnie aspektami pracują naukowcy z koreańskiego Chung-Ang University. W czasopiśmie Advanced Energy Materials opisali swój pomysł wprowadzenie 4-fenylotiosemikarbazydu (4PTSC) jako dodatku podczas produkcji ogniw Sn-HP, która stabilizuje zazwyczaj szybki i nieuporządkowany proces krystalizacji. Cząstka ta minimalizując powstawanie defektów kryształu wzmacnia powierzchnię perowskitu i utrudnia utlenianie jodku cyny (SnI2) i migrację jonów, co poprawia stabilność całego ogniwa – zachowując prawie 100 proc. początkowej wydajności konwersji mocy, nawet po 500 godzinach i około 80 proc. po 1200 godzinach przy pełnej ekspozycji na warunki otoczenia (bez enkapsulacji).
- Naukowcy z Chińskiego Narodowego Centrum Nanonauki i Technologii pochwalili się za to bardzo stabilnymi ogniwami z tzw. perowskitów Dion-Jacobsona (DJ). Jak czytamy na łamach Nature Communications niezabezpieczone komórki (bez enkapsulacji) zachowują 92 proc. swojej początkowej wydajności po ponad 4.000 godzinach przy 90 proc. wilgotności względnej (RH). Co ważniejsze, ogniwa te wykazują również niezwykłą stabilność termiczną (85 st C) i operacyjną, która wykazuje znikomą utratę wydajności po przekroczeniu 5.000 godzin obróbki cieplnej lub po pracy w punkcie maksymalnej mocy (MPP) przekraczającej 6.000 godzin w temperaturze 45 st C przy ciągłym oświetleniu świetlnym 100 mW cm-2. Ogniwo powstało tzw. metodą powlekania ostrzem, w której warstwy bardzo precyzyjnie układa się jedna na drugą.
- Innym kierunkiem badań jest praca nad samą powłoką ochronną dla ogniw. Perowskitowe ogniwa zazwyczaj wykorzystują warstwę powłoki na bazie amonu, która zwiększa wydajność, ale ulega degradacji pod wpływem stresu środowiskowego, w tym ciepła i wilgoci. Tym problemem zajęli się naukowcy z Northwestern University, którzy na łamach Science opublikowali wyniki badań nad powłoką opartą na amidynie. W eksperymentach nowa powłoka była 10 razy bardziej odporna na rozkład w porównaniu z konwencjonalnymi powłokami na bazie amonu. Co więcej ogniwa powlekane amidyną potroiły również żywotność, o tyle skracając czas potrzebny na spadek wydajności o 90 proc. jej początkowej wartości pod wpływem trudnych warunków. „Nowa powłoka nie tylko zwiększa stabilność materiału, ale również pozwala na poprawę jego wydajności (do 26 proc.). Dzięki zastosowanej technologii ogniwa mogą teraz lepiej opierać się wpływom zewnętrznym, takim jak wilgoć czy promieniowanie UV, które do tej pory były głównym czynnikiem powodującym ich szybkie zużycie” mówi prof. Mercouri Kanatzidis.
/Fot: Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), UC San Diego Jacobs School of Engineering//
Jeszcze nie dodano komentarza!