Perowskity wychodzą z laboratoriów. Nowa powłoka zwiększa ich trwałość

• Naukowcy z Northwestern University stworzyli nową powłokę ochronną opartą na amidynach, która znacząco wydłuża żywotność perowskitowych ogniw fotowoltaicznych, poprawiając ich stabilność w trudnych warunkach.
• Nowa powłoka z ligandami amidynowymi jest dziesięciokrotnie bardziej odporna na rozkład niż tradycyjne powłoki amoniakalne, co skutkuje wydłużeniem żywotności ogniw w porównaniu do standardowych rozwiązań.
• Dzięki innowacji, ogniwa perowskitowe osiągnęły wydajność 26,3%, a ich trwałość zwiększyła się trzykrotnie.

Perowskity – alternatywa dla krzemu z nową, trwalszą powłoką

Choć perowskitowe ogniwa słoneczne są wydajniejsze i tańsze niż tradycyjne krzemowe, ich kluczowym ograniczeniem pozostawała do tej pory niska stabilność długoterminowa. Zazwyczaj stosowano powłoki na bazie amoniaku, które poprawiały wydajność ogniw, ale były podatne na degradację w kontakcie z czynnikami środowiskowymi, takimi jak ciepło i wilgoć.

Naukowcy z Evanston opracowali bardziej wytrzymałą powłokę, wykorzystującą amidyny. Badania wykazały, że nowa powłoka jest dziesięciokrotnie bardziej odporna na rozkład niż tradycyjne powłoki amoniakalne. Ponadto ogniwa pokryte amidynami wykazały trzykrotnie dłuższy okres T90, czyli czas, po którym wydajność ogniwa spada do 90% początkowej wartości, w warunkach ekstremalnych.

- Nad stabilnością ogniw słonecznych opartych na perowskitach pracuje się od dłuższego czasu – powiedział Bin Chen z Northwestern, współautor badania. – Do tej pory większość doniesień skupiała się na poprawie stabilności samego materiału perowskitowego, pomijając warstwy ochronne. Wzmacniając powłokę, udało nam się zwiększyć ogólną wydajność ogniw słonecznych.

- Nasze badania rozwiązują jeden z kluczowych problemów związanych z powszechnym zastosowaniem ogniw perowskitowych – stabilność w warunkach rzeczywistych – podkreśla Mercouri Kanatzidis, współautor badania. – Wzmacniając chemicznie warstwy ochronne, znacząco zwiększyliśmy trwałość tych ogniw, nie obniżając ich wyjątkowej wydajności, co przybliża nas do praktycznej, taniej alternatywy dla fotowoltaiki opartej na krzemie.

Czym zastąpiono amoniak? Nowa powłoka pozwoliła osiągnąć imponujące wyniki

Krzem, stosowany od dekad, był najczęściej używanym materiałem do absorpcji światła w ogniwach słonecznych. Choć trwały i niezawodny, jego produkcja jest kosztowna, a wydajność bliska maksymalnych możliwości. W poszukiwaniu tańszych i wydajniejszych rozwiązań, naukowcy zwrócili się ku perowskitom – grupie związków krystalicznych.

Perowskit stanowi obiecującą alternatywę dla krzemu, lecz jego żywotność jest stosunkowo krótka. Długotrwałe działanie światła słonecznego, wahania temperatury i wilgoć powodują pogorszenie wydajności ogniw perowskitowych.

W celu rozwiązania tego problemu, naukowcy zastosowali ligandy amidynowe, stabilne cząsteczki, które wchodzą w interakcję z perowskitem, zapewniając długotrwałą pasywację defektów i ochronę. Amidyny, w odróżnieniu od cząsteczek amoniakalnych, charakteryzują się strukturą z centralnym atomem węgla połączonym z dwoma grupami aminowymi, co sprzyja równomiernemu rozproszeniu elektronów i lepszej odporności na trudne warunki.

- Nowoczesne ogniwa perowskitowe mają zwykle ligandy amoniowe jako warstwę pasywacyjną – powiedziała Yi Yang, jedna z autorek badania. – Jednak amoniak ma tendencję do rozpadu pod wpływem stresu cieplnego. Dokonaliśmy konwersji niestabilnego amoniaku na bardziej stabilną amidynę.

Proces konwersji, nazwany amidynacją, polega na zastąpieniu grupy amoniowej bardziej stabilną grupą amidynową. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu udało się zapobiec degradacji ogniw perowskitowych, zwłaszcza podczas ekspozycji na ekstremalne temperatury.

Otrzymane ogniwo słoneczne osiągnęło wydajność na poziomie 26,3%, co oznacza, że przekształciło 26,3% pochłoniętego światła słonecznego w energię elektryczną. Co więcej, pokryte ogniwo zachowało 90% swojej początkowej wydajności po 1100 godzinach testów w trudnych warunkach, wykazując trzykrotnie dłuższy czas życia T90 niż dotychczasowe ogniwa poddawane ciepłu i światłu.