Perowskit przeszła kluczową próbę: 1000 godzin w warunkach wysokiej temperatury i wilgotności przy zaledwie 5% strat.

Celule słoneczne na bazie perowskitu mają wiele atutów, które pozwalają im zyskać miejsce w dziedzinie energii fotowoltaicznej: wysoką zdolność przekształcania światła w energię elektryczną, możliwości taniego wytwarzania oraz lekką konstrukcję. Istnieje jednak pytanie, które nadal wpływa na ich przyszłość – jak długo będą mogły zachowywać te właściwości po opuszczeniu laboratorium i w obliczu wysokiej temperatury oraz wilgoci.

Naukowcy z Południowokoreańskiego Instytutu Badań nad Energią, KIER, we współpracy z uniwersytetem UNIST, przedstawili rozwiązanie skierowane właśnie na ten słaby punkt. Ich propozycja polega na modyfikacji procesu produkcji w celu usunięcia komponentów, które początkowo wspomagają działanie celuli, ale później mogą przyspieszyć jej degradację.

Wynikiem są komórki, które zachowują 95% swojej początkowej wydajności po 1000 godzinach przy temperaturze 85 °C i 85% wilgotności względnej. Badanie opublikowane w „Advanced Science” wskazuje, że test przeprowadzono z urządzeniami zapakowanymi, czyli wyposażonymi w ochronę przed otoczeniem. Jest to istotna informacja przy prawidłowej interpretacji zakresu testu. Wiley Online Library

To 95% nie oznacza również, że przekształcają niemal całe otrzymane światło na energię elektryczną. Określa ono, jaką wydajność zachowują w porównaniu z początkiem testu. Maksymalna efektywność przekształcenia osiągnięta przy nowym procesie wyniosła 25,24%, w porównaniu z 25,21% u komórek referencyjnych wyprodukowanych metodą konwencjonalną z dodatkami. Różnica jest minimalna – istotne jest poprawienie odporności bez rezygnacji z wydajności.

Usuwanie pozostałości litu w celu zmniejszenia degradacji

Z badania tego dotyczy tzw. warstwa transportu dziur, jedna z komponentów umożliwiających wydobywanie ładunków elektrycznych powstających, gdy światło dociera do komórki. W niektórych architekturach perowskitowych warstwa ta wykorzystuje sole litu oraz dodatki w celu poprawy jej właściwości elektrycznych. Problem polega na tym, że niektóre z tych składników również przyczyniają się do obniżenia jej stabilności.

Gdy wzrasta temperatura i wilgotność, dodatki mogą parować i pozostawiać małe pustki w warstwie. Te wady utrudniają kontakt między poszczególnymi warstwami i sprzyjają spadkowi ich właściwości. Z drugiej strony jony litu mogą przenosić się do wnętrza urządzenia, powodując dodatkowe uszkodzenia. To, co pomaga osiągnąć dobre początkowe wyniki, ostatecznie staje się problemem trwałości.

Rozwiązanie opracowane przez zespół polega na wykorzystaniu niezbędnych reakcji podczas przygotowywania mieszanki, a następnie usunięciu składników, które mogą być szkodliwe. W tym celu używa tlenku niklu, NiOx, który działa jako katalizator i umożliwia pochwytywanie jonów litu obecnych w roztworze, z którego wytwarzana jest ta warstwa.

Gdy reakcja dobiegnie końca, mieszanina przechodzi przez proces filtracji. Cząsteczki tlenku miedzi pozostają wraz z przylegającymi do nich jonami litu. W ten sposób katalizator pełni swoją funkcję podczas przygotowania, ale jest usuwany przed utworzeniem ostatecznej warstwy. Metoda ta pozwala również na rezygnację z dodatku tBP stosowanego w konwencjonalnych formułach.

Idea ta jest interesująca, ponieważ bada przyczyny części degradacji. Oprócz ochrony komórki przed czynnikami zewnętrznymi poprzez jej zapakowanie, ma na celu uczynienie samej jej struktury bardziej stabilną. Wyniki pokazują, że możliwe jest usunięcie tych składników bez utraty zdolności przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną.

Dla badaczy ten postęp może okazać się przydatny również w komórkach słonecznych typu tandem, które łączą materiały zdolne do wykorzystywania różnych części widma słonecznego. Perowskit otwiera możliwości w takich konfiguracjach, ale zwiększenie wydajności wytwarzania energii elektrycznej ma niewielką wartość komercyjną, jeśli ta przewaga znika zbyt szybko wskutek degradacji.

Oczywiście, przejście testu na ciepło i wilgoć nie oznacza dowodu dziesięcioleciowej wydajności na dachu. 1.000 godzin to test wytrzymałości w określonych warunkach i nie może być bezpośrednio przekształcanych na lata eksploatacji. Należy również sprawdzić, jak ten proces można zastosować w modułach o większej powierzchni oraz w konkurencyjnej produkcji przemysłowej.

Wyniki wskazują na potrzebę ulepszeń, których perowskit potrzebuje równie mocno jak rekordów efektywności – aby zachować swoje właściwości. Dla tych, którzy instalują panele słoneczne, ważna jest wydajność od pierwszego dnia; jeszcze ważniejsza jest energia, którą będą wytwarzać przez wiele lat później.

Źródło | Advanced