Od lat szukali rozwiązania, aby ulepszyć panele słoneczne, a chodziło jedynie o zamianę jednego atomu w tym materiale.
17/09/2026 12:00
Zaktualizowano na
17/09/2026 12:00
Przez lata technologia fotowoltaiczna poszukiwała alternatyw dla tradycyjnego krzemiu w celu zwiększenia efektywności pozyskiwania energii słonecznej. W tym poszukiwaniu perowskit okazał się obiecującym materiałem XXI wieku, choć ma poważną wadę: zależność od ołowiu lub, w jego braku, skrajną niestabilność przy kontakcie z powietrzem i wilgocią.
Zespół naukowców z Uniwersytetu Wisconsin-Madison udało się rozwiązać ten problem bez użycia skomplikowanych maszyn ani nowych związków syntetycznych. Rozwiązaniem było zastąpienie jednego atomu w strukturze molekularnej ołowiowej perowskitu. To niewielka zmiana, która może przyspieszyć wdrożenie czystszych, bardziej efektywnych i trwalszych instalacji słonecznych.
Wyzwanie usunięcia ołowiu z komórek perowskitowych
Perowskita to materiał hybrydowy, który łączy składniki organiczne i nieorganiczne w strukturze krystalicznej bardzo skutecznej w pochwytywaniu światła słonecznego i przekształcaniu go w energię elektryczną. Jednak wersje o wyższej wydajności wykorzystują ołów – ciężki, toksyczny metal, który rodzi poważne wątpliwości co do wpływu na środowisko oraz zrównoważoności po zakończeniu okresu użytkowania paneli.
Aby uniknąć użycia ołowiu, przemysł skupił swoją uwagę na perowskitach cynku. Chociaż cynk stanowi ekologiczną i chemicznie podobną alternatywę, jego szybka utlenianie w warunkach codziennego środowiska stanowiło poważny problem. Gdy tylko materiał miał kontakt z tlenem lub wilgocią w powietrzu, jego struktura ulegała degradacji w ciągu zaledwie kilku godzin, tracąc niemal całkowicie zdolność do wytwarzania prądu.
Zamiana jednego atomu w celu ochrony struktury
Zamiast stosować typowe rozwiązania polegające na nakładaniu zewnętrznych warstw ochronnych lub skomplikowanych uszczelnień wokół komórek, zespół badawczy podszedł do problemu od strony mikroarchitektury samego związku. Aby to osiągnąć, nie trzeba było syntetyzować nowego materiału – wystarczyło zastąpić jeden atom fluoru atomem chloru w cząsteczce organicznej, która utrzymuje krystaliczną sieć perowskitu.
Ta modyfikacja zmieniła sposób, w jaki kryształy łączą się ze sobą. Dzięki dodaniu chloru przybrały znacznie bardziej zwartą i uporządkowaną strukturę, eliminując mikroskopijne pustki, przez które wcześniej przenikała powietrze i wilgoć. W rezultacie sama struktura materiału stała się naturalną barierą przed czynnikami zewnętrznymi, nie zakłócając przy tym transportu elektronów.
Znakomita wydajność i stabilność
Rezultaty zmian na poziomie atomowym są istotne dla rozwoju energii słonecznej trzeciej generacji. Opracowane komórki osiągnęły sprawność konwersji na poziomie 16,2 %, co jest ważną wartością dla urządzeń opartych na ołowiu-free cynku.
Poza danymi dotyczącymi natychmiastowej mocy, kluczową kwestią jest trwałość tych ogniw. Podczas testów laboratoryjnych w suchym powietrzu urządzenia zachowały ponad 95 % swoich początkowych parametrów wydajności po 1.600 godzinach ekspozycji, co odpowiada około 67 dniom. W warunkach ciągłego obciążenia, przy symulowanej iluminacji słonecznej i wzroście temperatury do 55 °C, materiał utrzymał blisko 80 % swojej pojemności po 1.000 godzinach nieprzerwanego działania.
Lepsza stabilność perowskitów bez ołowiu otwiera możliwości bezpośredniego zastosowania w sektorze energii odnawialnej. Stworzenie bardziej stabilnych, wydajniejszych paneli słonecznych, wolnych od ciężkich metali, ułatwia ich bardziej zrównoważoną integrację w infrastrukturach do ładowania, dachach mieszkalnych, a nawet w możliwej instalacji na karoseriach samochodów elektrycznych.