Nowy owoc prac w zakresie fotowoltaiki autorstwa zespołu związanego m.in. z Nanjing University oraz Australian National University jest arcyważny nawet mimo przebicia bariery 30% sprawności. Nie mamy bowiem tutaj kolejnego tandemu, w którym perowskit pomaga krzemowi. Mamy trzy różne warstwy perowskitowe ułożone jedna na drugiej i pracujące wspólnie jako jedno ogniwo, a to zupełnie inna wizja fotowoltaiki przyszłości.
Jedno ogniwo nie musi próbować łapać całego Słońca
Problem klasycznego ogniwa słonecznego jest banalny do opisania, ale znacznie trudniejszy do rozwiązania. Światło słoneczne nie dostarcza nam energii w jednej, idealnie dobranej postaci. Fotony mają różne energie, a pojedynczy materiał półprzewodnikowy zawsze musi iść na kompromis. Część światła przechodzi przez niego niewykorzystana, a część nadmiarowej energii zamienia się po prostu w ciepło.
Czytaj też: Fotowoltaika bez szkła i ramy. SolarWindow zrobiło z panelu fotowoltaicznego wielką naklejkę
Ogniwa wielozłączowe próbują ten problem obejść. Zamiast jednego absorbera dostajemy kilka warstw o różnych przerwach energetycznych, więc każda może zajmować się inną częścią widma. Najbardziej energetyczne fotony pochłania górna warstwa, kolejne trafiają niżej, a te o najmniejszej energii wykorzystuje warstwa znajdująca się na samym dole.
W nowym ogniwie specjaliści zastosowali zaś trzy perowskity o przerwach energetycznych 2,0, 1,60 oraz 1,22 eV. Całość tworzy monolityczne ogniwo trójzłączowe, czyli wszystkie trzy podogniwa są zintegrowane i połączone elektrycznie w jednej konstrukcji. Efektem jest 30,1% sprawności konwersji energii, choć niezależnie certyfikowany rezultat wyniósł 29,3%.
Według autorów jest to jednak i tak pierwszy dwuterminalowy, całkowicie perowskitowy układ trójzłączowy, który przekroczył granicę 30%. Nie oznacza to rekordu całej współczesnej fotowoltaiki, bo w tym roku dwuzłączowe ogniwa całkowicie perowskitowe również przekroczyły 30%, a tandemy krzemowo-perowskitowe zaszły jeszcze dalej. LONGi uzyskało certyfikowane 35,5%.
Tutaj chodzi jednak o coś innego – pokazanie, że również trzecie złącze może rzeczywiście zacząć działać na korzyść konstrukcji pozbawionej krzemu.
Największy problem krył się w górnej warstwie
Najważniejszym osiągnięciem nie było samo ułożenie trzech perowskitów jeden na drugim. Prawdziwym problemem było stworzenie odpowiednio dobrej górnej warstwy o bardzo szerokiej przerwie energetycznej około 2 eV. Wymaga ona dużej zawartości bromu i właśnie wtedy materiał zaczyna sprawiać problemy. Krystalizuje nierównomiernie, na powierzchni powstają zmarszczki, brom i jod nie rozkładają się idealnie, a całość prowadzi do powstawania defektów i strat napięcia.
Czytaj też: Naukowcy zmienili pułapkę w paliwo dla paneli. Organiczna fotowoltaika przebiła 20 procent
Badacze porównują ten proces do sytuacji, w której powierzchnia powłoki twardnieje szybciej niż materiał znajdujący się pod nią. Powstaje coś w rodzaju sztywnej skóry nad ciągle zmieniającą się warstwą i właśnie stąd bierze się część nierówności. W celu niwelacji tego zjawiska, zespół odpowiednio dobrał rozpuszczalniki oraz zastosował niewielką ilość chlorku oleiloamoniowego. Tymczasowa obecność chloru pomagała zsynchronizować wbudowywanie bromu i jodu podczas krystalizacji, a obróbka powierzchni pozwalała ją wygładzić.
Rezultat? Mniej defektów, bardziej jednorodny skład, sprawniejszy transport ładunku oraz niższe straty energii. Sama warstwa o przerwie 2,0 eV osiągnęła napięcie obwodu otwartego wynoszące aż 1,46 V. Innymi słowy, naukowcy nauczyli się po prostu lepiej kontrolować materiał, który już znamy. Co ważne, nowa konstrukcja po 569 godzinach ciągłej pracy w punkcie maksymalnej mocy pod symulowanym światłem zachowała ponad 90% początkowej sprawności. To dobry wynik laboratoryjny, ale jednocześnie zaledwie niecałe 24 dni nieustannego testu. W świecie paneli, które mają pracować przez dwie lub trzy dekady, jest to więc dopiero początek rozmowy.
Czytaj też: Po tym pożarze inaczej patrzę na piękne dachy z ukrytą fotowoltaiką
Dlatego równie ciekawie patrzę na wysiłki zmierzające do wyciągnięcia perowskitów poza laboratoryjną bańkę. Niedawno opisywałem produkcję perowskitowych ogniw poza ochronną atmosferą laboratoryjną, bo właśnie skalowanie procesu będzie jednym z najważniejszych testów dla tej technologii. Podobnie było przy tandemowym ogniwie zachowującym około 90% sprawności po tysiącu godzin działania, gdzie równie interesujące jak początkowa sprawność było dla mnie pytanie, jak szybko zacznie ona spadać.
Perowskity zaczynają pokazywać, po co naprawdę istnieją
Przez lata przyszłość perowskitów wyglądała jak przyszłość pomocnika krzemu. Miały być cienką warstwą nakładaną na istniejącą technologię i pozwalać jej wycisnąć jeszcze kilka dodatkowych procent sprawności. Dzisiaj zaczynamy oglądać ogniwa, w których trzy różne perowskity dzielą między siebie pracę i robią to bez krzemowego absorbera.
Krzem oczywiście nigdzie jutro nie zniknie. Ma za sobą dekady rozwoju, gigantyczny przemysł oraz trwałość, której perowskity nadal muszą dowieść. Jednak najciekawsze pytanie przestaje dziś brzmieć “ile perowskit może dodać do krzemu?”. Coraz częściej brzmi ono: “jak daleko perowskity zajdą bez niego?”.
Źródła: Nature Energy, LONGi, Tech Xplore
