Jeszcze kilka lat temu rozmowa o elastycznych, lekkich ogniwach słonecznych brzmiała jak obietnica, która zawsze kończy się tym samym zdaniem: “fajnie, fajnie, ale za chwilę się rozpadnie”. W fotowoltaice organicznej sprawność da się podkręcać coraz sprytniejszą chemią i inżynierią warstw, ale jej trwałość to ciągle inna para kaloszy. Dlatego właśnie tak wielki szum wywołały doniesienia o nowych polimerowych ogniwach z Chin.
Dlaczego polimery kuszą, a stabilności ciągle im brakuje?
Polimerowe ogniwa słoneczne to fragment większej rodziny organicznych ogniw (OPV), w których światło absorbuje materiał organiczny, a nie krzem. Ich największa zaleta jest prosta: mogą być cienkie, lekkie, potencjalnie elastyczne i wytwarzane metodami roztworowymi, co w teorii otwiera drogę do produkcji przypominającej drukowanie powłok na dużych powierzchniach. Jest to ważne zwłaszcza tam, gdzie klasyczny panel jest zbyt ciężki albo kłopotliwy w montażu.
Czytaj też: Niesamowite osiągnięcie w fotowoltaice. Słońce niszczyło, ale teraz zaczęło chronić
W praktyce ten rodzaj fotowoltaiki przez lata miał typową bolączkę w kwestii trwałości. Chociaż parametry wydajności są ciągle poprawiane, to nadal polimerowe ogniwa słoneczne starzeją się przez mieszankę zjawisk chemicznych i fizycznych. Światło, temperatura, tlen i wilgoć potrafią degradować warstwy aktywne, a nawet gdy chemia jest odporna, to układ donor-akceptor może z czasem zmieniać mikrostrukturę.
Co dokładnie zrobili badacze z Wuhan?
Zespół z Wuhan University of Technology zaproponował podejście, które uderza w problem tego rodzaju fotowoltaiki u samego źródła, bo w zachowanie długich łańcuchów polimerowych w warstwie aktywnej. W uproszczeniu – takie łańcuchy mają tendencję do splątywania się i tworzenia nieuporządkowanych agregatów, co psuje transport ładunku i przyspiesza degradację w czasie pracy. Badacze opisują strategię, w której do matrycy polimerowego akceptora domieszkuje się odpowiednio dobrany akceptor małocząsteczkowy, by “rozplątać” łańcuchy i wymusić bardziej uporządkowane upakowanie. Takie mieszanie światów (polimerów i małych cząsteczek) nie jest tylko sztuczką na podbicie sprawności, ale też celem zmniejszenia tzw. wolnej objętości w warstwie fotoaktywnej i stworzenie bardziej efektywnych ścieżek transportu ładunku, czyli dokładnie tych elementów, które z czasem zamieniają się w ciche źródło strat.
Czytaj też: Chiny budują “super akumulator”. Największy taki obiekt na świecie powstanie w górach
Gotowe ogniwo miało osiągnąć 19,1% sprawności konwersji, a po 2000 godzinach pracy w powietrzu zachować 97% wartości początkowej, co oznacza 3-procentowy spadek wydajności po około 83 dniach ciągłej pracy. Daleko więc mu do sensownego produktu, bo średnia operacyjna żywotność paneli wzrosła w branży do okolic 25-35 lat. Sama sprawność konwersji rzędu 19,1% nie jest też rekordem, bo od dłuższego czasu organiczne ogniwa fotowoltaiczne odznaczają się właśnie 19-20 procentową sprawnością. Problem w tym, że komercjalizacja nie sprzedaje “ogniw”, tylko moduły, a tu zaczyna się inna gra, w której udział biorą rezystancje elektrod, nieaktywne połączenia, jednorodność powłok czy stabilność na dużej powierzchni.
Obiecujące osiągnięcie, ale trudne pytania ciągle się piętrzą
W samym pomyśle domieszkowania akceptora małocząsteczkowego jest jeszcze jedna pułapka: koszt i skalowalność syntezy. W świecie PSC/OPV od dawna wiadomo, że niektóre klasy wysokosprawnych akceptorów potrafią być drogie w produkcji i trudne w oczyszczaniu, co wprost uderza w marzenie o tanim “drukowanym” prądzie. Nieprzypadkowo w 2022 roku w Nature Communications pojawiła się praca poświęcona temu, jak obniżać koszt syntezy akceptorów małocząsteczkowych. Wprawdzie ta kwestia nie przekreśla chińskiego podejścia, ale budzi konkretne pytanie. Tyczy się to również tego, jak taki układ zniesie upał, wilgoć, wielomiesięczne cykle termiczne, promieniowanie UV, mikropęknięcia warstw na zginanej folii i wreszcie skalowanie do modułów, gdzie diabeł siedzi w centymetrach, a nie w nanometrach.
Źródła: pv magazine, Energy, Nature
