Wyścig o stworzenie ogniw słonecznych nowej generacji to nie tylko naukowa ciekawostka, ale jeden z kluczowych frontów walki o przyszłą energetykę. Perowskity od lat kuszą wizją tańszych, lżejszych i bardziej elastycznych paneli, które można byłoby drukować niczym kolorowe folie, a nie wytapiać w energochłonnych piecach krzemowych. Problem w tym, że ten obiecujący materiał zachowuje się jak układ nerwowy pełen drobnych uszkodzeń, bo gdzieś w środku ginie część sygnału, a prąd, zamiast płynąć swobodnie, rozprasza się i utyka na niewidocznych barierach.
Naukowcy od dawna wiedzą, że winę ponoszą defekty wewnątrz perowskitu, ale dotychczas mogli je obserwować głównie albo na samej powierzchni, albo w postaci uśrednionych parametrów całego ogniwa. Teraz jednak chiński zespół zaproponował narzędzie TC-AFM do badania perowskitów, które zamiast kolejnych domysłów daje w ręce badaczy coś w rodzaju tomografu dla elektronów. Trójwymiarowe obrazowanie przewodności pozwala dosłownie prześledzić to, którędy prąd w perowskicie rzeczywiście płynie, a gdzie trafia na ślepe zaułki.
Mikroskop zaglądający w głąb materiału. Jak działa tomograficzna AFM
Klasyczna mikroskopia sił atomowych od lat jest jednym z podstawowych narzędzi do oglądania powierzchni w skali nanometrów, ale w przypadku perowskitów okazywała się niewystarczająca. Pokazywała, czy warstwa jest gładka, czy chropowata, pozwalała identyfikować pojedyncze ziarna krystaliczne, ale nie zdradzała nic na temat tego, jak w tych strukturach naprawdę zachowują się ładunki elektryczne. TC-AFM dodaje do tego brakujący wymiar, bo zamiast samego obrazu topografii dostarcza bezpośrednią informację o tym, gdzie materiał przewodzi dobrze, a gdzie staje się niemal izolatorem.
Czytaj też: Przerażające cmentarzysko na odludziu. Dlaczego Chiny wiercą tajny tunel na pustyni Gobi?
Wchodząc w szczegóły, technika zwana tomograficzną przewodzącą mikroskopią sił atomowych (TC-AFM) działa jak niezwykle precyzyjne narzędzie. Urządzenie stopniowo skrawa ultracienkie warstwy materiału (każdą o grubości zaledwie kilku nanometrów), a po usunięciu każdej z nich mierzy, jak swobodnie prąd elektryczny płynie przez nowo odsłoniętą powierzchnię. Kluczowe jest tu właśnie połączenie dwóch procesów, bo kontrolowanego skrawania kolejnych warstw i równoczesnego pomiaru lokalnego przepływu prądu. Dzięki temu naukowcy nie muszą już zgadywać, czy pasywacja zadziałała tylko na powierzchni, czy też rzeczywiście przeniknęła w głąb struktury. Widać to na trójwymiarowych mapach jak na dłoni: rozległe ciemniejsze obszary oznaczające słabą przewodność zmniejszają się lub znikają, a między ziarnami pojawiają się ciągłe, jasne ścieżki dobrej przewodności.
Czytaj też: Dorzucili do akumulatorowych ogniw kuliste cząsteczki węgla. Tak przekuli marzenie na rzeczywistość
Po zebraniu setek takich pomiarów z różnych głębokości naukowcy mogą złożyć je w szczegółową, trójwymiarową mapę przewodnictwa. Działa to podobnie do tomografii komputerowej, ale dla właściwości elektrycznych materiału.
Dwie strategie naprawy wad paneli i ogromne różnice w działaniu
Zespół przetestował dwie główne strategie poprawy jakości perowskitu. Pierwsza, nazywana pasywacją objętościową, polega na dodaniu specjalnych związków chemicznych do całej masy materiału jeszcze podczas jego wytwarzania. Druga to obróbka powierzchniowa, która modyfikuje jedynie wierzchnią warstwę już gotowej warstwy perowskitowej. Bez jakiejkolwiek obróbki materiał wykazywał rozległe obszary o bardzo słabej przewodności, a to szczególnie na granicach między poszczególnymi kryształkami. Pasywacja objętościowa znacząco poprawiła sytuację, zmniejszając te nieprzewodzące strefy i tworząc lepsze połączenia między ziarnami. Obróbka powierzchniowa przyniosła inne efekty, bo jej wpływ był najbardziej widoczny przy górnej granicy warstwy, czyli tam, gdzie perowskit łączy się z kolejnym elementem ogniwa. Było to akurat newralgiczne miejsce, ponieważ właśnie tędy uwolnione elektrony muszą wydostać się do obwodu zewnętrznego.
Czytaj też: Silnik samolotowy zasili Twojego ChataGPT, bo AI zżera za dużo prądu. Czy to już nie przesada?
Najbardziej obiecujące okazało się zastosowanie obu metod jednocześnie. Materiały poddane takiej kombinowanej obróbce prezentowały najbardziej jednorodne i nieprzerwane ścieżki dla przepływu prądu w całej swojej objętości. Obszary o gorszej przewodności były w ich przypadku ograniczone głównie do samej powierzchni, co jest znacznie mniejszym problemem, gdyż łatwiej je tam skorygować niż gdyby ukryte były głęboko wewnątrz.
Przyspieszenie rozwoju paneli perowskitowych. Od laboratorium do produkcji
Dla branży pracującej nad komercjalizacją ogniw perowskitowych tego typu narzędzie diagnostyczne może być bezcenne. Zamiast żmudnie testować dziesiątki wariantów materiałowych metodą prób i błędów, inżynierowie będą mogli dokładnie zobaczyć, która strategia naprawy wad faktycznie działa i gdzie. To zasadnicza zmiana, bo stanowi przejście od zgadywania do precyzyjnego inżynieryjnego dostrajania. Technika ma też szerszy potencjał i może znaleźć zastosowanie w rozwoju innych cienkowarstwowych urządzeń, takich jak diody LED czy czujniki promieniowania.
Wszędzie tam, gdzie kluczowy jest kontrolowany przepływ ładunków przez mikroskopijnie cienkie warstwy, trójwymiarowa mapa przewodności dostarczy bezcennych danych. W praktyce oznacza to, że kolejne generacje perowskitowych ogniw będzie można projektować na podstawie konkretnych danych o przewodnictwie, a nie wyłącznie intuicji oraz doświadczenia zespołów badawczych.