Ogniwa w module są ze sobą połączone, dlatego zacienienie jednego fragmentu nie oznacza po prostu, że będzie on przez chwilę produkował mniej energii. Prąd generowany przez oświetlone części nadal przepływa przez zacienione ogniwo, które może zostać poddane napięciu wstecznemu. Efekt?Zamiast działać jak źródło energii, taki element staje się obciążeniem. Zaczyna się nagrzewać, traci sprawność, a przy odpowiednio wysokim napięciu może zostać trwale uszkodzony. Jest to szczególnie poważny problem w przypadku ogniw perowskitowych i organicznych, w których oprócz elektronów przemieszczają się również jony. Innymi słowy, cień to wróg, ale nie niezwyciężony.
Połączyli perowskit z ogniwem organicznym. Efekt?
Zespół z Hong Kong Polytechnic University opracował tandemowe ogniwa słoneczne łączące nieorganiczną warstwę perowskitową z ogniwem organicznym. Konstrukcja określana skrótem POTSC wykorzystuje dwie warstwy pochłaniające różne części widma słonecznego, dzięki czemu może skuteczniej przetwarzać padające światło. Sprawność nowych urządzeń przekroczyła 26 procent, ale tym razem naukowcy skoncentrowali się na tym, co stanie się z ogniwem wtedy, gdy światło przestanie docierać do niego równomiernie.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Najdłuższy test trwał 2000 godzin, czyli ponad 83 dni. Przez cały ten czas tandemowe ogniwa pracowały pod napięciem wstecznym wynoszącym -4,5 V. Po zakończeniu próby nadal zachowywały 97 procent początkowej sprawności. Badacze przeprowadzili też znacznie brutalniejsze eksperymenty. Po 12 godzinach ciągłej pracy przy -20 V urządzenia zachowały 90 procent pierwotnej sprawności. Nawet po wystawieniu na ekstremalne napięcie rzędu -40 V nadal oferowały ponad 90 procent początkowego wyniku.
Jest to poziom odporności wyraźnie przewyższający dotychczasowe cienkowarstwowe technologie słoneczne. Co istotne, zespół zaprezentował działanie rozwiązania nie tylko na pojedynczym ogniwie, lecz także na większym minimodule. Nadal oczywiście nie jest to pełnowymiarowy panel gotowy do montażu na dachu, ale przynajmniej nie mówimy już wyłącznie o mikroskopijnej próbce stworzonej pod rekord w laboratorium.
Organiczne ogniwo chroni warstwę perowskitową
Źródłem problemów z zacienieniem są między innymi tak zwane głębokie stany pułapkowe obecne w aktywnej warstwie organicznego ogniwa. Są to defekty materiału, które przechwytują ładunki odpowiedzialne za produkcję energii i ułatwiają niepożądany przepływ prądu w przeciwnym kierunku. Naukowcy w ramach swojej pracy ograniczyli powstawanie odizolowanych skupisk akceptora w obszarze, w którym mieszają się materiały przekazujące i odbierające elektrony. Dzięki temu zmniejszyli liczbę pułapek oraz zahamowali zjawisko tunelowania wstecznego.
Czytaj też: Ciepło ucieka z fabryk, silników i elektroniki. Ten wyjątkowy kryształ robi z niego prąd
Opracowane organiczne ogniwa wytrzymywały napięcie przekraczające -35 V bez trwałego przebicia. Po połączeniu ich z perowskitem organiczna warstwa nie była już tylko dodatkowym elementem produkującym energię. Zaczęła też chronić bardziej wrażliwy perowskit przed skutkami zacienienia, co jest dla mnie najciekawszym szczegółem całego osiągnięcia. Zamiast bowiem próbować stworzyć jeden idealny materiał, badacze wykorzystali dwie technologie tak, aby mocne strony jednej ograniczały słabości drugiej.
Cienkie panele nadal nie są gotowe na każdy dach
Nie należy oczywiście traktować wspomnianego 2000-godzinnego testu jako dowodu, że ogniwa przepracują bez problemu 25 lub 30 lat. Próba dotyczyła konkretnego mechanizmu degradacji i nie obejmowała jednoczesnego działania wilgoci, tlenu, promieniowania ultrafioletowego, mrozu, upałów oraz naprężeń mechanicznych. Nie wiadomo też, jak łatwo będzie zachować podobną jakość przy produkcji pełnowymiarowych modułów. Mimo to jest to krok znacznie bliższy praktycznej fotowoltaice niż kolejne podniesienie sprawności o ułamek punktu procentowego. Cień nie jest przecież sytuacją wyjątkową i zdarza się często, czy to przez liście, ptaki, a nawet komin na dachu.
Musimy też pamiętać, że największą obietnicą cienkich ogniw nie jest zastąpienie klasycznych paneli na każdym dachu. Chodzi raczej o wykorzystanie powierzchni, na których ciężkie i sztywne moduły krzemowe zwyczajnie się nie sprawdzają. Mogą to być elewacje, lekkie dachy hal, pojazdy, zakrzywione konstrukcje, urządzenia przenośne i elementy infrastruktury. Zwłaszcza w takich zastosowaniach nierównomierne oświetlenie będzie normą. Fragment panelu zostanie zasłonięty, inny znajdzie się pod niewłaściwym kątem, a kolejny będzie przez większość dnia oświetlany znacznie słabiej. Jeśli technologia ma rzeczywiście wyjść poza laboratoria, musi nie tylko sprawnie produkować energię, ale również przeżyć tysiące takich sytuacji.
Czytaj też: Przyszłość zajrzała na wysypisko. Butelki, reklamówki i opakowania dały wodór
Nowe ogniwa perowskitowo-organiczne nie rozwiązały jeszcze wszystkich problemów cienkowarstwowej fotowoltaiki. Pokazały jednak, że cienkie panele nie muszą już być konstrukcjami działającymi dobrze wyłącznie wtedy, gdy otoczenie obchodzi się z nimi idealnie.
Źródła: Nature Materials
