fotowoltaika

Polscy naukowcy opracowali wydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące perowskity

Fot. Pixabay
Zespół badaczy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie oraz Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej uzyskał odmianę perowskitu pozwalającą budować lepsze ogniwa fotowoltaiczne. Szefem naukowej grupy jest prof. Janusz Lewiński.

Przyrost wydajności konwersji energii słonecznej na elektryczną jaki uzyskano, nie jest na pierwszy rzut oka spektakularny. W stosunku do wcześniej znanych ogniw z perowskitu, charakteryzujących się 18-procentowym wskaźnikiem konwersji, materiał pozyskany przez polskich badaczy osiąga zaledwie ponad 19 proc. ale za to udało się podnieść wytwarzane napięcie (do 1,1 V). Ponadto jak podkreśla prof. Lewiński „poprawa parametrów fotowoltaicznych w perowskitach zawierających jony guanidynowe nie jest może szczególnie spektakularna, ale bardzo wyraźna. Co więcej, wzrosty widać nie w jednym, a w kilku istotnych parametrach”.

Aby zrozumieć na czym polega sukces polskich badawczy musimy wiedzieć, czym w ogóle są perowskity. To grupa minerałów o cechach fotowoltaicznych i sześciennej strukturze krystalicznej. Pierwszym tego typu materiałem był tytanian(IV) wapnia CaTiO3 – minerał odkryty na Syberii w 1838 roku, nazwany na cześć rosyjskiego geologa Lwa Perowskiego. Wpływ na właściwości fizykochemiczne perowskitów możemy mieć poprzez zastępowanie w ich strukturze jonów tlenkowych, wapnia i tytanu, innymi jonami.

Z użytkowego punktu widzenia szczególnie ważnym parametrem jest nie tylko stopień konwersji, ale również trwałość ogniwa. Polscy naukowcy zwracają uwagę, że uzyskany przez nich materiał fotowoltaiczny zawiera mniej lotną aminę w stosunku do wcześniejszych substancji. To oznacza, że nowy typ ogniw jest bardziej odporny na działanie czynników zewnętrznych, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia komercyjnych zastosowań. Testy nowych układów fotowoltaicznych skonstruowanych przez Polaków przeprowadzono na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) w Lozannie (Szwajcaria). Dowiodły one, że nowe perowskity w wielu aspektach są lepsze od materiału macierzystego.

Perowskity
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie i Politechniki Warszawskiej wkomponowali w strukturę krystaliczną perowskitów duży jon guanidyny uzyskując w ten sposób polepszenie własności materiału (fot. Grzegorz Krzyżewski / IChF PAN)

Polscy naukowcy wkomponowali w strukturę krystaliczną klasycznego perowskitu duży kation guanidynowy. Udało się to uzyskać metodą mechanochemiczną, czyli pisząc wprost – przez fizyczne ucieranie we właściwych proporcjach substancji chemicznych, tzw. prekursorów o odpowiednio dobranej strukturze.

„Jednym z głównych obszarów zastosowań perowskitów jest dziś fotowoltaika – tłumaczy mgr inż. Marcin Saski. – Używane tu organiczno-nieorganiczne perowskity halogenkowe zwykle zawierają organiczne kationy metyloamoniowe, znajdujące się w centrach sześcianów sieci krystalicznej. Kationy te łatwo ulegają stopniowej degradacji pod wpływem czynników zewnętrznych, np. wody, ale także wskutek reakcji fotochemicznych lub działania podwyższonej temperatury. My podjęliśmy próbę mechanochemicznego zastąpienia części kationów metyloamoniowych przez jony guanidyny”.

Próba ta zakończyła się sukcesem, jon guanidynowy C(NH2)2+, dzięki wewnątrzcząsteczkowej symetrii i bogatszym wiązaniom nienasyconym stabilizuje materiał perowskitowy, zwiększając jego możliwości fotowoltaiczne i czyniąc go odporniejszym na czynniki zewnętrzne. | CHIP