Przez pięć długich lat rozwój ogniw słonecznych z chalkogenu antymonu wydawał się tkwić w ślepym zaułku. Ten zastój miał swoją cenę. W pewnym momencie wielu badaczy zaczęło wprost mówić o ślepej uliczce, bo o materiale, który na papierze wygląda świetnie, ale w rzeczywistości nie chce współpracować. W rankingach wydajności kolejne pozycje zajmowały krzemowe i perowskitowe rekordy, podczas gdy chalkogenek antymonu tkwił twardo w drugiej lidze. Zaczęło tym samym rodzić się pytanie, czy nie lepiej skupić wysiłki i granty na technologiach, które widać gołym okiem na dachach domów, a nie w niszowych publikacjach specjalistycznych.

Okazuje się jednak, że wytrwałość popłaca, bo inżynierom z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney udało się nie tylko przekroczyć tę symboliczną granicę, ale do tego odkryć, co tak naprawdę przez cały ten czas blokowało postęp w tym sektorze. Ich praca to coś więcej niż tylko kolejny wpis w tabelach rekordów, bo w praktyce jest to istotne otwarcie nowej drogi dla całej technologii.

Przełom po latach stagnacji. Chalkogenek antymonu oficjalnie dołącza do elity

Osiągnięcie Australijczyków ma konkretny wymiar liczbowy, bo certyfikowaną wydajność na poziomie 10,7 procent. Jest to aktualnie najwyższy, niezależnie zweryfikowany wynik na świecie dla ogniw zbudowanych z chalkogenku antymonu. Co jednak ważniejsze, ich materiał po raz pierwszy w historii trafił do prestiżowych międzynarodowych tablic wydajności ogniw słonecznych, co jest formalnym potwierdzeniem jego dojrzałości i realnych szans na komercjalizację.

Czytaj też: Miedź upokorzona. Elektronika się gotuje, a azotek tantalu w fazie theta ją ratuje

W laboratorium udało się uzyskać nawet 11,02 procent, ale kluczowa była certyfikacja przez uznane centrum pomiarowe CSIRO. Taka niezależna weryfikacja usuwa wszelkie wątpliwości i daje solidny fundament do dalszych prac innym zespołom na świecie. Sam materiał (złożony z antymonu, siarki i selenu) od dawna wzbudzał zainteresowanie ze względu na niskie koszty surowców i naturalną stabilność, której brakuje choćby modnym perowskitem.

Rozwiązanie chemicznej zagadki kluczem do ogniw z chalkogenku antymonu

Główną przeszkodą przez lata był nierównomierny rozkład siarki i selenu w procesie produkcyjnym. Tworzyło to wewnętrzną barierę dla ładunków elektrycznych, która znacznie obniżała wydajność całego ogniwa. Rozwiązanie, choć proste w założeniu, wymagało dogłębnego zrozumienia procesu. Naukowcy dodali niewielką ilość siarczku sodu, co ustabilizowało reakcje i zapewniło równomierne rozproszenie pierwiastków. To odkrycie podstawowego mechanizmu chemicznego jest może nawet cenniejsze od samego rekordu, bo wytycza jasny kierunek dla przyszłych optymalizacji tychże ogniw.

Z punktu widzenia fizyki półprzewodników korekta składu o tak pozornie niewielki dodatek, jak siarczek sodu, ma szersze konsekwencje niż tylko poprawa jednego parametru. Równomierne rozmieszczenie siarki i selenu w sieci krystalicznej przekłada się na bardziej “gładki” krajobraz energetyczny wewnątrz materiału. Nośniki ładunku nie muszą przedzierać się przez lokalne bariery potencjału, dzięki czemu mniej energii tracone jest po drodze w postaci ciepła. To właśnie takie trudne do uchwycenia w prostym opisie efekty różnicują technologie laboratoryjne, które pozostają ciekawostką, od tych, które mają szansę na wyjście poza mury uczelni.

Czytaj też: Więcej darmowego prądu. Szwedzi pokazali, że panele słoneczne muszą leżeć na dachu

Co istotne, zrozumienie tego mechanizmu ma znaczenie wykraczające poza jeden konkretny materiał. Współczesna fotowoltaika coraz częściej opiera się na projektowaniu “szytych na miarę” związków, w których skład chemiczny dobiera się niemal jak przepis. Jeśli naukowcy pokazują, że pewien typ domieszkowania stabilizuje rozkład pierwiastków i poprawia transport ładunku w chalkogenku antymonu, to podobnej strategii można szukać w innych rodzinach materiałów. W praktyce taka wiedza staje się zestawem narzędzi, z którego mogą korzystać kolejne zespoły pracujące nad zupełnie innymi ogniwami.

Przyszłość w tandemach i niszowych zastosowaniach. Gdzie tkwi prawdziwy potencjał?

Wizja, w której chalkogenek antymonu zrewolucjonizuje masową fotowoltaikę, jest wciąż odległa. Jego najbliższa przyszłość raczej rysuje się w bardziej specyficznych niszach. Najbardziej realne wydaje się zastosowanie jako górna warstwa w tandemowych ogniwach słonecznych, które nakładają na siebie różne materiały, aby pochłonąć szersze spektrum światła. Materialne cechy otwierają też inne drzwi. Aktywna warstwa ma grubość zaledwie 300 nanometrów, co przy wysokiej absorpcji światła pozwala na oszczędność materiałów. Możliwość osadzania w niskich temperaturach zmniejsza zaś energetyczne koszty produkcji, co dodatkowo sprawia, że technologia nadaje się do tworzenia ultracienkich, półprzezroczystych powłok.

Czytaj też: Szwajcarzy znaleźli klucz do stabilności akumulatorów ze stałym elektrolitem

Innymi słowy, tam, gdzie krzem i perowskity walczą o wielkoskalowe farmy słoneczne, chalkogenek antymonu może znaleźć zupełnie inną, mniej widowiskową, ale biznesowo bardzo racjonalną niszę. Ultrapłaskie, półprzezroczyste powłoki na szybach biurowców czy centrach handlowych nie muszą rywalizować z panelami dachowymi o każdy ułamek procenta sprawności. Zdecydowanie ważniejsze staje się to, czy taki materiał dobrze znosi pracę przy rozproszonym świetle, jak zachowa się po dekadzie ekspozycji na zmienne warunki i czy można go wytwarzać metodami, które da się zintegrować z przemysłem szklarskim.

Jeśli dodać do tego rosnące zainteresowanie “energetyką fasadową” i samowystarczalnymi czujnikami IoT, które potrzebują jedynie niewielkiego, ale stałego dopływu energii, zaczyna się rysować konkretny scenariusz rynkowy. W takim ujęciu każdy kolejny punkt procentowy wydajności nie jest jedynie abstrakcyjnym rekordem, lecz przelicza się na liczbę urządzeń, które można zasilić bez akumulatora czy dodatkowego okablowania.

Czy ogniwa słoneczne z chalkogenku antymonu podbiją świat?

Nie jest to opowieść o technologii, która z dnia na dzień wywróci rynek do góry nogami. Bardziej przypomina historię zawodnika, którego przez lata nikt nie brał na poważnie, aż wreszcie to się zmieniło. Chalkogenek antymonu dzięki pracy zespołu naukowców zyskał drugą szansę i wreszcie trafił do grona materiałów, które można śledzić po prostu z zainteresowaniem. To, czy w przyszłości zobaczymy go na oknach wieżowców, w cienkich powłokach zasilających czujniki czy w egzotycznych konstrukcjach tandemowych, pozostaje sprawą otwartą.

Dlatego też dziś Ważne jest coś innego, bo ta historia przypomina, że rozwój energetyki słonecznej to nie wyścig jednego faworyta, lecz cała sztafeta materiałów i pomysłów. Część odpadnie, część trafi na podium, ale czasem to właśnie pozornie niszowe rozwiązania najlepiej wypełniają luki, których wielkie technologie nie potrafią zagospodarować. W przypadku chalkogenku antymonu właśnie dowiedzieliśmy się, że ten materiał dalej biegnie i wcale nie tak wolno, jak wielu do tej pory sądziło.