Perowskitowe ogniwa słoneczne od lat obiecują tańszą i wydajną energetykę, ale mają jeden zasadniczy problem. Są jak piękna, lecz krucha konstrukcja, bo błyskawicznie tracą swoje właściwości pod wpływem czasu i żywiołów. Podczas gdy klasyczne panele krzemowe bez problemu pracują przez 20-30 lat, ich perowskitowe odpowiedniki potrafią stracić wydajność w ciągu zaledwie miesięcy. Jest to zresztą główna przeszkoda, która blokuje ich drogę z laboratoriów na nasze dachy, a testy pokazują, że potraktowane cieczą ogniwa zachowały 90% początkowej sprawności przez ponad 1500 godzin w ekstremalnie trudnych warunkach, które zwykle szybko niszczą standardowe perowskity.
Dlaczego obiecujące perowskity tak szybko się psują?
Cały sekret perowskitów tkwi w ich unikalnej strukturze krystalicznej, która doskonale pochłania światło. Problem w tym, że ta sama struktura jest podatna na powstawanie mikroskopijnych defektów, a te niedoskonałości, szczególnie licznie gromadzące się w dolnej warstwie ogniwa, działają jak słabe punkty w pancerzu. Pod wpływem wysokiej temperatury i intensywnego światła stają się ośrodkami, od których zaczyna się nieodwracalna degradacja materiału. Przez lata wiele zespołów skupiało się na zabezpieczaniu górnej powierzchni paneli, a tym razem badacze poszli inną drogą, starając się wbudować ochronę głęboko w sam materiał, adresując problem defektów w całej jego objętości oraz na newralgicznym, często pomijanym dolnym interfejsie.
Czytaj też: Koniec z nocnymi przerwami w fotowoltaice. Startup zebrał miliony na pomysł, który wydaje się szalony
Zweryfikowane i przebadane przez nich rozwiązanie wykorzystuje ciecze jonowe, czyli sole pozostające płynne w niskich temperaturach, które mogą silnie oddziaływać z określonymi materiałami. Naukowcy opracowali cząsteczki zaprojektowane tak, by wiązały się z jonami ołowiu w sieci krystalicznej perowskitu i wypełniały luki po brakujących jonach halogenkowych. Najskuteczniejsza z nich, oznaczona jako IL-1, pełni podwójną rolę. Po dodaniu do mieszaniny wyjściowej spowalnia proces krystalizacji, a to prowadzi do powstania większych i bardziej uporządkowanych ziaren kryształu z mniejszą liczbą defektów. Co ciekawe, cząsteczki te gromadzą się preferencyjnie właśnie przy dolnym interfejsie, tworząc tam dodatkową, samoistną warstwę ochronną.
Przetrwanie w piekarniku, czyli testy w ekstremalnych warunkach
Aby przekonać się o rzeczywistej skuteczności swojej metody, zespół przeprowadził serię wymagających testów. Początkowe badania w temperaturze 65-80 stopni Celsjusza przy pełnym nasłonecznieniu dały dobre rezultaty. Presja ze strony przemysłowego sponsora sprawiła jednak, że badacze podnieśli poprzeczkę. Ostateczne testy przeprowadzili w ekstremalnych warunkach rzędu 90 stopni Celsjusza i przy ciągłym naświetlaniu symulującym pełne Słońce. Sięgnęli tym samym po środowisko, które standardowe ogniwo perowskitowe degraduje w ciągu kilkudziesięciu godzin.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
Ich zaskoczenie było zapewne ogromne, gdy tylko okazało się, że zmodyfikowane cieczą jonową ogniwo wytrzymało ponad 1500 godzin, zachowując przy tym 90% początkowej wydajności. Warto zaznaczyć, że testy zostały na dodatek przeprowadzone w warunkach otwartego obwodu, uznawanych za bardziej restrykcyjne niż standardowo stosowane przez inne grupy badawcze.
Wielka obietnica, czyli technologia z potencjałem do szerszego zastosowania
Opracowana strategia nie jest wąsko wyspecjalizowana. Badania wskazują, że zastosowanie cieczy jonowych poprawia stabilność nie tylko klasycznych, sztywnych ogniw, ale także ich elastycznych wariantów oraz systemów, w których rezygnuje się z użycia ołowiu. Otwiera to drogę do potencjalnego wykorzystania w zaawansowanych ogniwach tandemowych, łączących perowskity z innymi materiałami dla uzyskania maksymalnej sprawności. Sam proces jest relatywnie prosty, a użyte materiały można syntetyzować na skalę przemysłową. Metoda jest kompatybilna z istniejącymi technikami produkcyjnymi, takimi jak powlekanie nożowe, co teoretycznie ułatwiłoby jej wdrożenie. Naukowcy pracują już nad kolejnymi, jeszcze skuteczniejszymi cząsteczkami, a związany z technologią patent jest dostępny do licencjonowania.
Chociaż sam patent i poszukiwania partnerów przemysłowych brzmią optymistycznie, to historia perowskitów nauczyła nas już ostrożności. Laboratoria co rok ogłaszają nowe przełomy, a droga do komercjalizacji okazuje się wyboista. Opisana metoda z cieczami jonowymi wygląda jednak na wyjątkowo pragmatyczną, bo nie dodaje bardzo skomplikowanych etapów produkcji i atakuje problem u jego źródła. Jeśli jej skuteczność potwierdzi się w testach na większą skalę i w realnych warunkach pogodowych, a nie tylko “laboratoryjnego piekarnika”, to może stać się brakującym ogniwem. Stabilne, tanie i wydajne ogniwa perowskitowe mogłyby wtedy naprawdę zmienić reguły gry w fotowoltaice, oferując np. lekkie, elastyczne panele do zastosowań, o których dziś możemy tylko pomarzyć. Na ostateczny werdykt przyjdzie nam jednak jeszcze poczekać.