Korozja zagraża perowskitowym ogniwom słonecznym. Naukowcy proponują rozwiązanie
Nowe badania naukowców z Chinese Academy of Sciences pokazują, że jednym z mniej oczywistych problemów może być korozja miedzianych elektrod w ogniwach perowskitowych typu n oraz p. Zaproponowano środek łagodzący.
Perowskitowe ogniwa słoneczne są jedną z najczęściej wskazywanych technologii kolejnej generacji w fotowoltaice. Ich zaletą mają być relatywnie proste procesy produkcyjne i wysoka sprawność. Jedną z barier na drodze do komercjalizacji pozostaje jednak stabilność pracy w dłuższej perspektywie. Zwraca się również uwagę na koszty, dla których wciąż istnieje potencjał redukcyjny.
Chiński zespół przeanalizował zachowanie elektrod z miedzi w perowskitowych ogniwach słonecznych pracujących pod ciągłym oświetleniem. Miedź (Cu) jest interesującym materiałem z perspektywy kosztowej, bo może być tańszą alternatywą dla elektrod ze złota (Au) lub srebra (Ag). Autorzy badania przypominają, że przewodność elektryczna Cu jest zbliżona do Ag i wyższa niż w przypadku Au. Jednocześnie miedź ma swoje ograniczenia: niższą pracę wyjścia (w odniesieniu np. do złota), trudniejsze dopasowanie poziomów energetycznych oraz podatność na korozję wywoływaną przez halogenki i wilgoć.
Korozja zaczynała się na krawędziach
Badane ogniwa miały strukturę n i p oraz wykorzystywały warstwę buforową z MoO3. Początkowo zastosowanie tej warstwy poprawiało ekstrakcję dziur i pozwalało uzyskać parametry porównywalne z urządzeniami wykorzystującymi srebro. Testy stabilności pokazały jednak szybkie pogorszenie pracy ogniwa pod długotrwałym oświetleniem.
Kluczowym odkryciem była tzw. side corrosion, czyli boczna korozja elektrody miedzianej. Naukowcy zaobserwowali, że degradacja pojawiała się przede wszystkim na krawędziach Cu na powierzchni MoO3 (tritlenek molibdenu). Jednocześnie obszar, w którym elektroda Cu pokrywała się z dolną elektrodą ITO (tlenek indowo-cynowy), pozostawał znacznie bardziej stabilny. Korozję potwierdzono m.in. po zdjęciu elektrody oraz z użyciem mikroskopii, w tym skaningowej mikroskopii elektronowej.
Według autorów problem wynika z rozkładu perowskitu pod wpływem światła. W takich warunkach powstają mobilne jony jodkowe, które mogą migrować w stronę elektrody miedzianej. Tam reagują z Cu i prowadzą do powstawania produktów typu halogenków metali, w tym związków CuI. Specjalistyczne analizy TOF-SIMS potwierdziły migrację jodu w kierunku elektrody w starzonych urządzeniach referencyjnych.
Bizmut jako cienka warstwa ochronna
Aby ograniczyć ten mechanizm degradacji, badacze wprowadzili cienką warstwę bizmutu (Bi) między MoO3 a Cu. Taka warstwa interfejsowa miała działać jako bariera dla dyfuzji jodu i ograniczać reakcję prowadzącą do korozji miedzi. W urządzeniach zmodyfikowanych bizmutem zaobserwowano wyraźnie lepszą stabilność pracy oraz ograniczenie korozji elektrody.
Autorzy wskazują, że Bi działa jako materiał bardziej odporny na reakcje z halogenkami. Dzięki temu zmniejsza powstawanie jodku miedzi na interfejsie i pomaga utrzymać lepsze parametry pracy ogniwa pod ciągłym oświetleniem. Badanie pokazało również znaczenie samej geometrii urządzenia. Obszar nakładania się ITO i Cu działał jak swego rodzaju strefa ochronna, ponieważ lepsza ekstrakcja ładunków ograniczała ich akumulację i zmniejszała migrację jonów.
Wnioski są istotne dla dalszego rozwoju tańszych perowskitowych ogniw słonecznych. Miedź może być atrakcyjną alternatywą dla droższych metali szlachetnych, ale jej zastosowanie w strukturach n-i-p wymaga starannego projektowania interfejsów i kontroli migracji jonów. Badanie nie przekreśla więc miedzianych elektrod, lecz pokazuje, że w perowskitach o trwałości decydują bardzo drobne detale: krawędzie elektrod, warstwy pośrednie i lokalne ścieżki transportu ładunku. Wciąż istnieje zatem ogromne pole do wprowadzania ulepszeń i redukcji kosztów.
Więcej na temat samego badania można przeczytać w artykule pt.: „Unexpected side Cu corrosion at Cu/MoO3 interface in Cu-based n-i-p type perovskite solar cells” opublikowanym w czasopiśmie Materials & Design.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
