Zespół z Uniwersytetu w Stuttgarcie i partnerów międzynarodowych opisał nowe podejście, które uderza w jeden z najbardziej wrażliwych elementów perowskitów w sposób zaskakująco “dynamiczny”. Pamiętajmy, że mówimy tutaj o technologii bardzo obiecującej, bo aktualny rekord sprawności dla pojedynczego ogniwa perowskitowego wynosi 27,3%, a dla tandemów perowskit-krzem to już 35,0%. Tłumaczy to, dlaczego firmy i laboratoria szukają dziś przede wszystkim sposobu na trwałość, a nie tylko na kolejne dziesiąte części procenta w kwestii sprawności.
Dodali do perowskitowych paneli “słoneczne amortyzatory”
Perowskity są materiałem krystalicznym, ale w praktyce warstwa aktywna w ogniwie to mozaika wielu krystalitów. Miejsca styku tych krystalitów (granice ziaren) są jak cienkie szwy w strukturze. Dlatego to tam najłatwiej o defekty, tam najszybciej kumulują się naprężenia i tam zaczynają się procesy degradacji, które później przekładają się na spadek napięcia, wzrost rekombinacji i ucieczkę wydajności. W artykule opublikowanym w Nature Energy autorzy opisują, że szybkie cykle oświetlenia potrafią przyspieszać starzenie, bo promują narastanie wewnętrznego stresu i fragmentację właśnie w obszarze granic ziaren.
Czytaj też: Rozwiązali największy problem fotowoltaiki! Prąd popłynie nawet w deszczu
W tle tego osiągnięcia jest jeszcze jeden istotny kontekst: tzw. perowskity trójkationowe (mieszanka kationów metylamoniowych, formamidyniowych i cezu), które od lat uchodzą za jeden z najbardziej “poukładanych” wariantów, jeśli chodzi o powtarzalność i stabilność. Jest to o tyle ważne, że nowa metoda nie próbuje budować cudownego perowskitu od zera, a raczej wzmacnia to, co branża uznała za sensowny punkt wyjścia. Sedno tego pomysłu polega na tym, by granice ziaren dostały coś w rodzaju “amortyzatora”.
Badacze wprowadzają do tych obszarów związki, które pod wpływem światła odwracalnie zmieniają swoją konfigurację (przełączanie między stanami trans (E) i cis (Z)). Działa to jak lokalny bufor naprężeń, bo kiedy materiał “pracuje” podczas cykli oświetlenia i temperatury, cząsteczka może zmienić kształt i rozproszyć część stresu, zamiast pozwolić mu kumulować się do pęknięć wiązań i degradacji. Autorzy pokazują to na pochodnej azobenzenu nazwanej Ca-Abz i porównują ją z innymi wariantami, podkreślając jednocześnie znaczenie pojedynczej grupy kotwiczącej, która pomaga uporządkować oddziaływania na granicy ziarna.
Czytaj też: Chiny budują “super akumulator”. Największy taki obiekt na świecie powstanie w górach
Co ważne, to nie jest tylko “chemia dla chemii”. W wynikach przeczytamy o sprawności rzędu 27,2% (certyfikowane 26,9%) i utrzymaniu ponad 95% początkowej wydajności po 2000 godzinach rygorystycznego cyklicznego naświetlania z komponentem UV w 65°C, a także po 500 cyklach temperaturowych od -40°C do 85°C.
Imponujące wyniki, ale to i tak dopiero początek drogi
Jednocześnie trzeba pamiętać o przysłowiowym słoniu w pokoju, bo tym, że większość najsprawniejszych ogniw perowskitowych nadal ma w sobie problematyczny ołów. Oznacza to, że oprócz odporności na wilgoć czy UV liczy się też kontrola ryzyka środowiskowego w razie uszkodzenia oraz utylizacji po latach. Ryzyko uwalniania ołowiu i jego wpływu na środowisko to realny hamulec dla szerokiej adopcji tego sektora fotowoltaiki. Innymi słowy, nawet jeśli granice ziaren staną się odporne, moduł nadal musi być zaprojektowany tak, by w trudnych zdarzeniach ograniczać ryzyko wycieku i mieć sensowną ścieżkę recyklingu.
Czytaj też: Opatentowali szalony pomysł na akumulator dla samochodów. Będzie ruszał się w rytm jazdy
I w tym miejscu wracamy do pracy ze Stuttgartu. Najciekawsze w niej jest to, że stabilność nie jest traktowana jako statyczna cecha materiału, tylko jako coś, co można “regulować” w trakcie pracy ogniwa – wykorzystując światło, które normalnie jest tylko źródłem energii, jako bodziec do rozładowywania naprężeń. Tego typu podejście dobrze pasuje do realiów fotowoltaiki, gdzie zmienność jest normą, a nie wyjątkiem.
Źródła: uni-stuttgart.de, Nature, NREL