Jeśli śledzisz rozwój fotowoltaiki, to znasz tę historię niemal na pamięć. Krzem wygrał pierwsze rozdanie dzięki niezawodności i skali, ale perowskity regularnie kradną show imponującymi wynikami laboratoryjnymi i obietnicą tanich i łatwych do dostosowania ogniw. Problem polega na tym, że świetne liczby z mikroskopijnych urządzeń rzadko wytrzymują pełną drogę do trwałego, produkowanego przemysłowo sprzętu. Perowskity muszą walczyć na zbyt wielu frontach naraz i dlatego właśnie pozornie prosta zmiana w procesie produkcji przyciąga dziś tak ogromną uwagę.
Naukowcy posypali ogniwa solą i pobili możliwości krzemu
Zespół z University College London odkrył, że dodanie konkretnej soli do receptury zmienia sposób, w jaki warstwa perowskitowa krystalizuje się w czasie rzeczywistym. Okazało się, że sól zapewnia gładsze warstwy z mniejszą liczbą defektów odbierających energię i nie jest to zarówno tani trik, jak i drobna poprawka. Proces dotyczy najwcześniejszych momentów powstawania warstwy, a więc czasu, kiedy defekty powstają. Wygląda na to, że można ich uniknąć i to bez rezygnowania z innych osiągnięć technologicznych, bo podejście to łączy się np. bezpośrednio z mieszanymi perowskitami cyna-ołów, które są wykorzystywane w wysokowydajnych tandemach.
Czytaj też: Mały pomysł, wielka rewolucja. Para wodna pozwala obniżyć koszty i wydłużyć życie ogniw
Sól, o której mowa, to tiocyjanian guanidyny, którą badacze opisują jako czynnik chaotropowy. Mowa tutaj o cząsteczce zaburzającej porządek w taki sposób, by spowolnić i kontrolować wzrost kryształów podczas produkcji. Dzięki temu powstające warstwy stają się znacznie bardziej jednorodne, a liczba defektów mikrostrukturalnych (będących wyjściami awaryjnymi dla nośników ładunku) wyraźnie spada. W urządzeniach opartych na mieszanych perowskitach Sn-Pb zespół osiągnął sprawność konwersji mocy na poziomie 22,3%, przy jednoczesnej poprawie stabilności cieplnej i świetlnej, a to akurat wynik bliski granicy możliwości tego materiału. Co ważne, ta kompozycja jest powszechnie używana jako dolne złącze pochłaniające podczerwień w tandemach, więc każda poprawa stabilności i morfologii ma natychmiastowe znaczenie dla najnowszych rozwiązań.
Dlaczego to istotne? Bo chodzi o coś więcej niż pojedynczą wartość sprawności. Ogniwa tandemowe (dwa ogniwa słoneczne ułożone tak, by każde zbierało inną część widma) już przekraczają granice pojedynczych złączy w wiarygodnych pomiarach i przesuwają się z posterów do produktów. Ostatnie recenzowane raporty pokazują tandemy perowskitowe osiągające ponad 29%, a liderzy branży w perowskitach na krzemie przebili poziom 34% sprawności w komórkach certyfikowanych w skali laboratoryjnej. Komercyjne moduły idą w ślad za nimi, jako że już powstały pełnowymiarowe panele tandemowe o sprawności ponad 25%. Teraz wyścig ten może przyspieszyć, ale oczywiście sama sól nie sprawiła, że wszystkie problemy zniknęły.
Czytaj też: Nowy podgrzewacz detronizuje zwykłe bojlery. Hybrydowy system grzeje wodę i zostawia w kieszeni pieniądze
Perowskity wciąż mają problemy z trwałością pod wpływem ciepła, wilgoci, promieniowania UV oraz przyłożonego pola elektrycznego, a migracja jonów pozostaje jednym z głównych mechanizmów degradacji. Nierozwiązana jest też kwestia zarządzania ołowiem w urządzeniach Sn-Pb i Pb – zarówno w trakcie eksploatacji, jak i na etapie utylizacji. Dlatego też trwają intensywne prace nad enkapsulacją, immobilizacją ołowiu w strukturze ogniwa, recyklingiem oraz nad chemią bezołowiową, ale są to jednak na tę chwilę programy inżynieryjne, które muszą się obronić w skali przemysłowej i w warunkach polowych. Opisywane tu wyniki związane z solą wpisują się w ten obraz jako narzędzie procesowe ograniczające liczbę defektów, które później trzeba chronić.
Czytaj też: Chiny rozwiązały największy problem energetyki jądrowej. Ten reaktor jest praktycznie niezniszczalny
Zanim jednak uznamy to za gotowe rozwiązanie, pozostaje kilka istotnych pytań. Czy kontrola krystalizacji za pomocą dodatku soli sprawdzi się przy przejściu z małych próbek wirówkowych na szybkie procesy wielkoformatowe? Jak zagra z ekologicznymi rozpuszczalnikami czy liniami roll-to-roll, które producenci coraz chętniej wdrażają? Czy taki dodatek nie wywoła reakcji ubocznych ani dryfu parametrów podczas długotrwałych testów modułów? Na te pytania odpowie wyłącznie czas… i niezależne testy.