Nowa technika produkcji fotowoltaicznej obniża koszty i podnosi stabilność

Perowskitowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z ustrukturyzowanego związku, najczęściej hybrydowego organiczno-nieorganicznego ołowiu albo materiału bazującego na halogenku, w aktywnej warstwie pochłaniającej światło. Produkcja materiałów perowskitowych, takich jak metyloamonowy jodek ołowiu, jest niedroga i stosunkowo prosta. Te łatwo syntetyzowane materiały uważa się za przyszłość ogniw fotowoltaicznych, ponieważ ich struktura daje większe możliwości uzyskania niedrogich, wydajnych ogniw fotowoltaicznych.

Dwoma parametrami istotnymi dla komercyjnego wykorzystania perowskitowych ogniw fotowoltaicznych są stabilność i wydajność. W ramach finansowanego ze środków UE projektu GOTSOLAR zespół chemików i technologów ze Szwajcarii i Polski zdołał zademonstrować ogniwo o znacznie mniejszej liczbie defektów strukturalnych. Zespół wyjaśnia, że wykorzystanie perowskitów wytworzonych metodą mechanochemiczną do budowy typowego ogniwa fotowoltaicznego, przyniosło nieoczekiwaną poprawę wydajności. Perowskity zostały wytworzone przez ucieranie zamiast tradycyjnego rozpuszczania.

Badania te stanowią awangardę mechanochemii – dynamicznie rozwijającej się dziedziny nauki, która zajmuje się reakcjami chemicznymi zachodzącymi bezpośrednio między związkami w fazie stałej pod wpływem działającej na nie siły mechanicznej.

Jak wyjaśniają naukowcy w swoim najnowszym komunikacie prasowym, perowskity to liczna grupa materiałów o ogólnym wzorze chemicznym ABX3, charakteryzujących się sześcienną strukturą krystaliczną. Atomy pierwiastka A znajdują się w centrum sześcianu, pośrodku każdej ścianki jest atom X, a w naroża zajęte są przez atomy pierwiastka B. Nazwa tej grupy materiałów wywodzi się od naturalnie występującego minerału, tytanianu wapnia CaTiO3, który został nazwany perowskitem na cześć rosyjskiego geologa, Lwa Perowskiego.

„Z czasem okazało się, że właściwości fizykochemiczne materiałów tej grupy można ulepszać zastępując wapń, tytan i tlen innymi pierwiastkami. Obecnie najpowszechniej badanym związkiem z grupy perowskitów jest (CH3NH3)PbI3. W tym materiale, jony wapnia, tytanu i tlenu są zastępowane odpowiednio przez jony metyloaminowy (w pozycji A), ołowiowy (w pozycji B) oraz jodkowy (w pozycji X)”.

W ramach projektu po raz pierwszy wykazano, że związek można wytwarzać dzięki reakcjom mechanochemicznym mieszanych perowskitów, tj. takich w których kilka różnych jonów naprzemiennie zajmuje pozycję A. To istotne osiągnięcie, ponieważ umiejętny dobór składu chemicznego materiału perowskitowego pozwoli dopasować go do konkretnego zastosowania w fotowoltaice, katalizie czy w innych obszarach nauki i techniki.

Jedną z właściwości charakteryzujących jakość jest ilość ładunku elektrycznego gromadząca się na granicy poszczególnych warstw ogniwa. Jeżeli jest go zbyt dużo, to nastąpi szybsza degradacja ogniwa. Partnerzy projektu właśnie poinformowali o perowskitach uzyskanych metodą mechanochemiczną, które cechują się bardzo jednorodną warstwą, co redukuje defekty w strukturze pogarszające pracę ogniwa. W ten sposób zredukowana została ilość ładunku gromadzącego się na powierzchni.

Powłoka okazała się nie tylko bardzo równa, ale także niezwykle cienka – zespół pokazał, że jego ogniwa są w stanie wydajnie pracować z warstwą o grubości zaledwie około 300 nanometrów. Partnerzy projektu GOTSOLAR podkreślają, że tak cienka powłoka pozwoli obniżyć koszty produkcji ogniwa. Ten nowy proces sprawia, że ogniwa stają się bardziej stabilne i prawdopodobnie tańsze w produkcji, zachowując jednocześnie wysoką wydajność.

Partnerzy projektu GOTSOLAR (New technological advances for the third generation of Solar cells) proponują przełomowe podejścia w opracowywaniu bardzo wydajnych, trwałych i przyjaznych środowisku perowskitowych ogniw fotowoltaicznych.

Więcej informacji:
witryna projektu