Teraz jednak, po serii rozczarowań, pojawia się wreszcie praca, która uderza w sam rdzeń problemu. Zespół z Uniwersytetu w Manchesterze nie proponuje kolejnej kosmetycznej poprawki procesu, tylko ingerencję w samą spoinę utrzymującą w ryzach delikatną strukturę perowskitu. Efekt jest na tyle spektakularny, że po raz pierwszy od dawna można mówić nie tylko o imponującej wydajności laboratoryjnej, ale też o zachowaniu jej w warunkach, które zaczynają przypominać rzeczywistą eksploatację modułów fotowoltaicznych.
Molekularny klej trzyma strukturę w ryzach
Sekretem sukcesu okazały się specjalnie zaprojektowane małe cząsteczki, tak zwane ligandy amidynowe. Pełnią one funkcję swoistego molekularnego kleju, który skutecznie spaja kruchą strukturę perowskitu. Mechanizm działania, choć elegancki w swojej prostocie, wymagał jednak precyzyjnego dostrojenia. Ligandy tworzą bowiem na powierzchni materiału gładką i wyjątkowo trwałą warstwę ochronną. Jej kluczową rolą jest eliminacja mikroskopijnych defektów w sieci krystalicznej, które normalnie utrudniają swobodny przepływ elektronów, obniżając sprawność całego urządzenia.
Czytaj też: Rewolucja na rynku okien. Zapomnij o podłączaniu szyb do prądu
Co najistotniejsze, ta sama warstwa stanowi skuteczną barierę dla czynników degradujących, czyli wysokiej temperatury i intensywnego promieniowania słonecznego. Dotychczas to właśnie katastrofalnie krótka żywotność była główną piętą achillesową tej technologii, redukując ją do roli ciekawej, lecz bezużytecznej w praktyce ciekawostki laboratoryjnej.
Wreszcie upragniony ratunek dla perowskitów?
W klasycznym opisie perowskitów najczęściej mówi się o imponującej absorpcji światła, możliwości strojenia struktury pod konkretną długość fali czy prostocie chemii stojącej za ich wytwarzaniem. Rzadziej przebija się do dyskusji fakt, że wszystkie te zalety są okupione bardzo delikatną, podatną na uszkodzenia siecią krystaliczną. W takim materiale każdy drobny defekt, każde niedoskonałe połączenie na granicy ziaren może stać się miejscem, w którym nośniki ładunku utykają lub ulegają rekombinacji. Z punktu widzenia praktyki oznacza to jedno: nawet świetnie zapowiadające się ogniwo potrafi błyskawicznie tracić moc, jeśli jego wnętrze nie jest odpowiednio uporządkowane.
Ligandy amidynowe zaproponowane przez zespół z Manchesteru wchodzą dokładnie w ten newralgiczny obszar. Działają na styku struktury krystalicznej i jej otoczenia, wyrównując energię powierzchniową oraz łatając te miejsca, w których normalnie tworzyłyby się defekty. Można to porównać do bardzo cienkiej, niewidocznej dla oka warstwy gruntującej, która nie tyle maskuje problem, ile stabilizuje całą konstrukcję od środka. Z punktu widzenia fizyki półprzewodników oznacza to mniejszą liczbę pułapek dla elektronów, bardziej płynny transport ładunku i znacznie wolniejsze narastanie uszkodzeń podczas pracy w trudnych warunkach.
Czytaj też: Wrzucasz słomę, wyciągasz paliwo przyszłości. Ekologiczny wodór wreszcie tańszy od gazu
Co istotne, takie podejście nie wymaga rewolucji w architekturze samych ogniw. Ligandy można włączyć w istniejące już procesy formowania warstw perowskitowych, co potencjalnie ułatwia późniejsze skalowanie technologii. Dla producentów paneli ważne jest właśnie to, by nowe rozwiązanie nie wymuszało przebudowy całych linii technologicznych, lecz dało się je dodoszyć do tego, co już działa. Jeżeli taka integracja okaże się możliwa przy zachowaniu wyników uzyskanych w laboratorium, perowskity z kłopotliwej ciekawostki mogą przekształcić się w realne uzupełnienie, a z czasem nawet alternatywę dla krzemowych modułów.
Liczby mówią same za siebie
Wyniki osiągnięte przez brytyjski zespół są naprawdę imponujące. Nowe ogniwa perowskitowe osiągnęły sprawność konwersji energii na poziomie 25,4%. Jest to wartość, która śmiało może konkurować z najlepszymi i obecnymi na rynku od dekad panelami krzemowymi. Prawdziwy przełom widać jednak w testach trwałościowych. Prototypy zostały poddane ekstremalnym warunkom, symulującym długotrwałą, intensywną eksploatację: 1100 godzin ciągłej pracy w temperaturze 85 stopni Celsjusza przy pełnym nasłonecznieniu. Po tym wymagającym teście ogniwa zachowały ponad 95% swojej początkowej wydajności, a to akurat wynik, który jeszcze do niedawna wydawał się poza zasięgiem technologii perowskitowej, gdzie utrata znacznej części mocy po kilkuset godzinach była standardem.
Ostatnia bariera przed komercjalizacją
Perowskit od dawna ma na papierze wszystko, czego potrzeba, by zdetronizować krzem. Obejmuje to niskie koszty produkcji, możliwość wytwarzania na elastycznych podłożach oraz znacznie mniejszą wagę. Brakowało jednego, kluczowego elementu – dostatecznej trwałości. Opisywane badania wskazują, że ta luka może zostać w końcu wypełniona, choć musimy pamiętać, że nie rozwiązuje z automatu wszystkich tych zagadnień, ale daje wreszcie coś, czego w tej dziedzinie długo brakowało – spójne, dobrze udokumentowane narzędzie do okiełznania niestabilnej natury perowskitów.
Czytaj też: Chiny pokonały blackouty. Już 12 krajów uwierzyło w ich dzieło
Należy pamiętać, że droga od laboratorium do masowej produkcji bywa wyboista. Przed zespołami badawczymi i potencjalnymi inwestorami stoi jeszcze konieczność skalowania procesu, przeprowadzenia długoterminowych testów w rzeczywistych warunkach atmosferycznych oraz uzyskania niezbędnych certyfikatów. Mimo to, po raz pierwszy od wielu lat mamy konkretny, oparty na twardych danych powód, by z ostrożnym optymizmem patrzeć w przyszłość ogniw perowskitowych. Jeśli ich stabilność potwierdzi się w dłuższej perspektywie, możemy stać się świadkami istotnej dywersyfikacji na rynku fotowoltaiki.