Zespół kierowany przez Mike’a McGehee z Renewable and Sustainable Energy Institute na University of Colorado Boulder we współpracy z National Renewable Energy Laboratory przeanalizował mechanizmy odpowiedzialne za awarie ogniw perowskitowych. Okazuje się, że odpowiedź na ich szybką degradację kryje się w strukturze materiału na poziomie mikroskopowym.
To odkrycie sprawi, że perowskity będą jeszcze lepsze
Podczas gdy standardowe panele krzemowe radzą sobie z zacienieniem dzięki diodom bocznikującym, perowskity nie wytrzymują podobnych obciążeń. Nawet krótkotrwałe odwrotne obciążenie prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń. Dotychczasowe próby wyjaśnienia tego zjawiska nie przynosiły satysfakcjonujących odpowiedzi, co blokowało postęp w komercjalizacji tej obiecującej technologii.
Naukowcy zastosowali cztery różne techniki obrazowania, w tym elektroluminescencję i skaningową mikroskopię elektronową, aby zbadać strukturę ogniw w najdrobniejszych szczegółach. Ryan DeCrescent, jeden z głównych autorów badania, zwraca uwagę, że samo przygotowanie próbek do tak precyzyjnej analizy wymagało ogromnego nakładu pracy. Testy przeprowadzono na około stu miniaturowych ogniwach o powierzchni zaledwie 0,032 mm2, co odpowiada szerokości dwóch ludzkich włosów.
Wyniki, opisane w czasopiśmie Joule, okazały się przełomowe. Okazało się, że mikroskopijne pory i nierównomierności w warstwie perowskitowej działają jak precyzyjnie wyznaczone miejsca, gdzie inicjuje się katastrofalna awaria. Co ciekawe, urządzenia pozbawione tych defektów wytrzymywały godziny odwrotnego obciążenia bez żadnych oznak degradacji.
Proces produkcji warstw perowskitowych metodą przetwarzania roztworowego przypomina nieco smażenie naleśników. Ciekły materiał nanosi się na podłoże, a następnie podgrzewa w celu odparowania rozpuszczalnika. Niska lepkość roztworu prekursora sprzyja powstawaniu mikrootworów, które podczas nagrzewania stają się jeszcze bardziej wyraźne. Obrazy termograficzne ujawniły, że właśnie w tych newralgicznych punktach materiał najszybciej się nagrzewa, osiągając temperatury powodujące topienie i zwarcie między warstwami kontaktowymi.
Odkrycie to daje inżynierom konkretny cel do pracy. Eliminacja mikroskopijnych defektów podczas produkcji oraz wzmocnienie warstw kontaktowych mogą znacząco poprawić trwałość ogniw. Na skalę laboratoryjną udało się już stworzyć praktycznie idealne struktury, jednak prawdziwe wyzwanie polega na przeniesieniu tej precyzji na większe powierzchnie odpowiednie do masowej produkcji.
Choć niższe koszty produkcji i wyższa potencjalna sprawność czynią perowskity atrakcyjną alternatywą, droga do komercjalizacji wciąż wymaga rozwiązania fundamentalnych problemów. Najnowsze odkrycie stanowi ważny krok naprzód, ale przed naukowcami i inżynierami pozostaje jeszcze wiele wyzwań związanych ze skalowaniem produkcji i zapewnieniem długoterminowej stabilności ogniw. Jeśli uda się przezwyciężyć te trudności, perowskitowe panele słoneczne mogą rzeczywiście zmienić oblicze rynku energii odnawialnej, jednak na ostateczny sukces przyjdzie nam jeszcze poczekać.