W świecie fotowoltaiki trwa nieustający wyścig o każdy dodatkowy ułamek procenta wydajności. Klasyczne panele krzemowe wydają się powoli dobijać do ściany swoich fizycznych możliwości, a poszukiwania nowych rozwiązań prowadzą naukowców w nieoczywiste rejony chemii materiałowej. Niedawno świat obiegła informacja o kolejnym rekordzie, kiedy to zespół badaczy pod kierunkiem dr. Erkana Aydina z Ludwig-Maximilians-Universität w Monachium doniósł o osiągnięciu wydajności ogniw tandemowych perowskit-krzem na poziomie 31,4 procent. Co ciekawe, cały proces wytwarzania tych ogniw odbył się w regionie Monachium, co dla europejskiej technologii ma niemałe znaczenie, ale najbardziej intrygujące jest jednak to, że klucz do sukcesu stanowiło… przypadkowe zanieczyszczenie.
Cienka warstwa robi różnicę. Samoorganizująca się monowarstwa jako molekularny przewodnik
Cała magia dzieje się w warstwie o grubości liczonej w nanometrach, bo w samoorganizującej się monowarstwie (SAM). Pełni ona funkcję mikroskopijnego przewodnika, ułatwiającego elektronom przepływ między dwoma warstwami ogniwa tandemowego. Górna warstwa, zbudowana z perowskitu, przechwytuje światło o wyższej energii, podczas gdy dolna, krzemowa, zbiera fotony o dłuższej fali. Problem polegał na tym, że standardowe cząsteczki SAM nie radziły sobie dobrze na chropowatej, teksturowanej powierzchni krzemu, która przypomina mikroskopijne piramidy. Naukowcy opracowali więc specjalną cząsteczkę, której kształt umożliwia równomierne pokrycie nawet tak nieregularnego podłoża.
Czytaj też: Ładowanie elektryka w minuty zamiast godzin staje się realne. Naukowcy wykorzystali węgiel w zupełnie nowy sposób
Prawdziwy przełom nastąpił wtedy, gdy podczas rutynowych analiz okazało się, że w używanym materiale znajdowały się śladowe ilości bromu. Z punktu widzenia czystości chemicznej było to zanieczyszczenie, ale w praktyce okazało się zbawienne. Atomy bromu działały jak mikroskopijni naprawiacze, neutralizując drobne defekty na styku warstw, co finalnie przekładało się na wyższą sprawność całego ogniwa.
To, że tak mała zmiana chemiczna może mieć tak duży wpływ, zaskoczyło nawet nas. To odkrycie pokazuje, jak decydujące jest precyzyjne współdziałanie materiałów na poziomie molekularnym dla uzysku energii w powstających ogniwach słonecznych – Dr. Erkan Aydin, kierownik projektu
Czytaj też: Montowanie paneli słonecznych na dachach nie musi być utrapieniem. Przez wszystkie te lata robiliśmy to źle?
Zespół nie poprzestał na odkryciu tego szczęśliwego trafu. Postanowił celowo połączyć cząsteczki zawierające brom z tymi, które go nie miały, tworząc tym samym hybrydową warstwę. Efektem jest bardziej zwarta struktura, lepsze zabezpieczenie powierzchni styku oraz zwiększona stabilność całej konstrukcji. Jest to trochę jak idealnie dopasowany mechanizm, w którym każdy element idealnie współgra z sąsiadami.
Od laboratorium do satelity. Realne perspektywy dla rekordowej technologii
Wynik sprawności takiego “przypadkowego panelu słonecznego” na poziomie 31,4 procent to nie tylko byle liczba. Jest imponujący, ponieważ uzyskano go na ogniwach krzemowych, które są standardem w przemyśle. Oznacza to, że potencjalne wdrożenie tej technologii mogłoby być stosunkowo płynne i pozbawione konieczności rewolucji w istniejących liniach produkcyjnych. Nie mniej ważna od wydajności jest wspomniana stabilność. Gęstsze upakowanie cząsteczek w warstwie pośredniej sprawia, że cała struktura jest mniej podatna na degradację w czasie, co jest kluczowe dla żywotności paneli.
Kolejnym etapem prac będą przyspieszone testy trwałości, które mają zasymulować wieloletnią pracę w rzeczywistych warunkach. Naukowcy patrzą też w górę, ale znacznie wyżej niebieskich obłoków, bo aż po sam kosmos. Pracują nad zaadaptowaniem swojej technologii dla zastosowań w satelitach krążących na niskich orbitach okołoziemskich, bo na nich ogniwa muszą radzić sobie z ekstremalnym promieniowaniem, wahaniami temperatury i próżnią.
Czytaj też: Akumulatory litowo-siarkowe były zbyt piękne, by działać. Ten materiał to zmieni
Historia z bromem to piękny przykład na to, jak w nauce drobny, często przypadkowy szczegół może otworzyć nowe możliwości. Chociaż od rekordu w monachijskim laboratorium do paneli na naszych dachach droga jest jeszcze daleka, to takie odkrycia wyraźnie wskazują, w którym kierunku powinna podążać fotowoltaika przyszłości. Pamiętajmy jednak, że w technologii ogniw słonecznych obietnic było już wiele, a tym razem projektem niosącym kaganek rewolucji był owoc międzynarodowej współpracy naukowców z Monachium, Southern University of Science and Technology w Shenzhen, City University of Hong Kong oraz King Abdullah University of Science and Technology w Arabii Saudyjskiej.