Nawet 32%?! Nowe ogniwa perowskitowe o rekordowej sprawności

Perowskitowe ogniwo charakteryzuje się przede wszystkim tym, że zawiera związek o strukturze perowskitu - czyli tytanianu wapnia, który sam w sobie nie ma wielu praktycznych zastosowań. Jednak przy połączeniu z innymi materiałami w strukturze krystalicznej mogą stworzyć tzw. półprzewodnik perowskitowy. Jego syntetyczną wersję można wykorzystać do produkcji bardzo wydajnych ogniw fotowoltaicznych.

Innowacyjna metoda wytwarzania

Badacze z Uniwersytetu Mahidol stworzyli ogniwo perowskitowe, które w teorii ma świetnie sprawdzać się przy słabym oświetleniu. Nowy materiał perowskitowy jest wytwarzany w dwuetapowym procesie. Na początku wykorzystuje się metodę antyrozpuszczalnikową, która później jest uzupełniana przez próżniowe wyżarzanie (VTA). Obie metody dotyczą powlekania kolejnych warstw, które wchodzą w skład ogniwa. Według tajlandzkich badaczy to właśnie sposób wykonania ogniwa jest kluczowy w kwestii podniesienia jego sprawności. Jednym z problemów, jakich nastręcza masowa produkcja perowskitów jest jakość i grubość folii. Grubość perowskitowego absorbera musi sięgać kilkuset nanometrów, a tworzenie tak grubych warstw o jednorodnej strukturze jest dość trudne. Zastosowanie technologii VTA pozwala na osiągnięcie jednorodnej, gęstej i twardej struktury folii, dzięki której zmniejszono straty energii na ogniwie perowskitowym. 

Naukowcy w procesie tworzenia nowego ogniwa użyli materiału perowskitowego powleczonego warstwą bromków i chloru. Gotowe ogniwo charakteryzuje się pasmem przerwy energetycznej o wartości 1,80 elektronowoltów (eV). Zostało one wykonane z kilku warstw. W jego skład wchodzi tlenek cyny z domieszką fluoru (FTO), którym pokryto warstwę szkła. Następnym elementem ogniwa jest warstwa transportująca elektrony (ETL) wykonana na bazie tlenku cyny (IV), kolejnymi natomiast perowskitowy absorber w postaci folii, warstwa otworowa (HTL), elektroda węglowa i kolejna warstwa FTO. Stworzone przez naukowców ogniwo charakteryzuje się powierzchnią czynną wynoszącą 0,04 cm². 

• Zobacz również: Kolejny cios w fotowoltaikę! “Nowa zasada 10H”

Zwiększona sprawność dzięki trwałemu materiałowi

Testy przeprowadzone przy natężeniu oświetlenia na poziomie 1000 luksów wykazały, że nowo powstałe ogniwo posiada sprawność konwersji na poziomie 27,7%, ze szczytową wydajnością sięgającą 32%. Standardowe ogniwa perowskitowe, które nie były poddane procesowi próżniowego wyżarzania, w tych samych warunkach osiągają sprawność na poziomie 25,5% i szczytową wydajność sięgającą 30,7%. Należy podkreślić, że natężenie światła w pomieszczeniu badawczym jest około 300 razy mniejsze niż natężenie światła słonecznego, tak więc wyniki badań w terenie mogą być zgoła inne. 

Według badaczy technologia VTA może sprawić, że perowskity będą mogły być produkowane na masową skalę. Dodatkowo zespół podkreśla, że próżniowe wyżarzanie ogniw może być stosowane w różnych rodzajach perowskitów. Jednak fotowoltaika bazująca jedynie na perowskitach to nadal jedynie pieśń przyszłości. Chociaż tego typu ogniwa osiągają niebywałe sprawności w warunkach laboratoryjnych wciąż ich największą słabością jest niestabilność w praktycznym zastosowaniu. Charakteryzują się one bowiem szybką stratą swoich właściwości w warunkach zewnętrznych. Wciąż trwają prace nad ogniwami perowskitowymi, które będą mogły w pełni konkurować ze standardowymi modułami fotowoltaicznymi. Badania podobne do tych przeprowadzonych przez tajlandzkich uczonych pozwalają mieć nadzieję na uzyskanie jednocześnie wydajnych i trwałych ogniw perowskitowych. Jednak na takie rozwiązania będziemy musieli jeszcze poczekać. 

Źródło: pv-magazine.com
Zdjęcie główne: Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB