Nowy rekord nietypowego ogniwa fotowoltaicznego szansą dla perowskitów

Nowy rekord sprawności dla ogniw perowskitowych pokazuje, że technologia, którą jeszcze niedawno uważano za zbyt nietrwałą, zaczyna realnie konkurować z krzemem i może wkrótce odmienić rynek energii słonecznej.

Naukowcom z University of Sydney udało się stworzyć trójzłączowe ogniwo perowskit–perowskit–krzem (triple-junction) o rekordowej sprawności 27,06%, zachowujące przy tym wyjątkową trwałość. To najwyższy wynik, jaki kiedykolwiek osiągnięto dla tej kombinacji materiałów i jedno z nielicznych ogniw nowej generacji, które przeszły rygorystyczne testy zgodne z normami IEC 61215.

Badania opublikowane w czasopiśmie Nature Nanotechnology, a prowadzone przez zespół prof. Anity Ho-Baillie z Sydney Nano Institute i School of Physics, pokazują, że światło słoneczne można przetwarzać z wydajnością niedostępną dotąd dla tradycyjnych paneli krzemowych. Udało się to dzięki połączeniu trzech warstw aktywnych, które wspólnie przechwytują szersze spektrum promieniowania – od fioletu po bliską podczerwień – minimalizując przy tym straty energii na granicach złącz.

REKLAMA

W kierunku ulepszania potencjału perowskitów

Perowskity, czyli związki o charakterystycznej strukturze krystalicznej, od kilku lat są uznawane za „cudowny materiał” fotowoltaiki. Potrafią pochłaniać światło znacznie efektywniej niż krzem, można je nanosić cienkimi warstwami w niskiej temperaturze, a ich skład chemiczny daje się precyzyjnie modyfikować. Ich główną słabością była jednak niestabilność – podatność na wilgoć, światło i temperaturę, która sprawiała, że rekordowe wyniki z laboratoriów szybko traciły znaczenie w praktyce. Zespół z Sydney skupił się więc nie tylko na podniesieniu sprawności, lecz przede wszystkim na poprawie trwałości struktury.

Kluczowym krokiem okazała się modyfikacja chemii warstw perowskitowych. Naukowcy zastąpili powszechnie stosowany fluorek litu (LiF) bardziej stabilnym PDCI, który lepiej pasywuje defekty sieci krystalicznej i ogranicza rekombinację nośników ładunku. Dodatkowo zastosowano domieszkę rubidu poprawiającą równomierność krystalizacji i stabilność termiczną. Dzięki temu ograniczono degradację materiału, a połączenia między kolejnymi warstwami perowskitowymi stały się bardziej odporne na napięcia i cykle cieplne.

W strukturze zastosowano również ultracienkie złote nanocząstki – zaledwie 0,4 nanometra – naniesione na warstwę tlenku cyny (SnO₂). Poprawiają one przewodnictwo elektryczne pomiędzy złączami, nie zaburzając przy tym przejrzystości optycznej. W rezultacie wytworzone w tej technologii ogniwo osiągnęło napięcie obwodu otwartego  3,16 V i rekordową sprawność – 27,06% przy powierzchni aktywnej 1 cm2, a w wersji powiększonej do 16 cm2 utrzymało imponujące 23,3% sprawności.

Imponująca trwałość i rosnący potencjał

Ogniwo zachowało 95% początkowej wydajności po ponad 400 godzinach nieprzerwanej pracy w pełnym świetle, a po 200 cyklach temperaturowych w zakresie od −40  do +85 st. C utrzymało 97% sprawności. To oznacza, że materiał po raz pierwszy zbliżył się do standardów wymaganych dla przemysłowych modułów fotowoltaicznych. Jak podkreśla prof. Ho-Baillie, to „nie tylko dowód, że duże, stabilne urządzenia perowskitowe są możliwe, ale także sygnał, że dalsze wzrosty sprawności są na wyciągnięcie ręki”.

REKLAMA

Perowskitowe tandemy działają na zasadzie uzupełniania się materiałów o różnym paśmie energetycznym. Górna warstwa pochłania światło widzialne, środkowa – część bliskiej podczerwieni, a dolna warstwa krzemowa wykorzystuje resztę spektrum. W efekcie mniej fotonów „ucieka” niewykorzystanych, a więcej energii trafia do obwodu elektrycznego. To właśnie ta synergia pozwala przekroczyć teoretyczne ograniczenia krzemu, które od dekad stanowiły barierę dla klasycznych ogniw fotowoltaicznych.

Nowe badanie z Sydney to nie tylko wynik laboratoryjny. Zespół przeprowadził pełną analizę zgodną z procedurami International Electrotechnical Commission (IEC), a użyte materiały zostały dobrane pod kątem skalowalności. W praktyce oznacza to, że ogniwa można produkować w większym formacie bez gwałtownego spadku wydajności. To ważna zmiana – dotąd rekordy ustanawiano zwykle na miniaturowych próbkach, które trudno było powielić w produkcji seryjnej.

Przyszłość wygląda obiecująco

W publikacji Nature Nanotechnology naukowcy z Australii zwracają uwagę, że ich praca jest krokiem w kierunku obniżenia kosztu energii słonecznej (LCOE) w systemach wielozłączowych. Osiągnięcie równowagi między wydajnością a stabilnością to ostatnia przeszkoda przed wejściem perowskitów na rynek. Jeśli w najbliższych latach uda się przenieść te wyniki z laboratorium na linie produkcyjne, świat energii słonecznej może czekać największy skok technologiczny od czasów wprowadzenia krzemu monokrystalicznego. Perowskitowe tandemy łączą to, czego dotąd nie udało się pogodzić: rekordową sprawność, stabilność przemysłową i możliwość taniej produkcji.

Więcej na temat opisanych badań można przeczytać w artykule naukowym: „Tailoring nanoscale interfaces for perovskite–perovskite–silicon triple-junction solar cells” opublikowanym w czasopiśmie Nature Technology.

Radosław Błoński