Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowców z University College London (UCL) opracował ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu – materiału szczególnie dobrze sprawdzającego się w pomieszczeniach, ponieważ jego skład chemiczny można dostosować do absorpcji określonych długości fal światła sztucznego.
Wyzwanie: defekty w strukturze perowskitu
Zastosowanie perowskitu w fotowoltaice ograniczały dotychczas mikroskopijne defekty w jego strukturze krystalicznej (tzw. pułapki), które zatrzymują elektrony, uniemożliwiając wykorzystanie ich energii. Defekty te przyspieszają też degradację materiału.
W badaniach opublikowanych w Advanced Functional Materials naukowcy opisują, jak zastosowanie odpowiedniej kombinacji związków chemicznych pozwoliło znacząco ograniczyć te wady, otwierając drogę do komercyjnego wykorzystania ogniw perowskitowych w warunkach oświetlenia wewnętrznego.
Opracowane przez nich moduły osiągają sześciokrotnie wyższą sprawność niż najlepsze dostępne obecnie komercyjne ogniwa do pracy w pomieszczeniach. Są też bardziej trwałe – przewidywany czas ich eksploatacji to pięć lat lub więcej, w porównaniu z tygodniami czy miesiącami dla innych prototypów.
Dr Mojtaba Abdi Jalebi, współautor pracy i profesor nadzwyczajny w UCL Institute for Materials Discovery, podkreśla:
- Miliardy urządzeń wymagających niewielkich ilości energii polegają dziś na wymiennych bateriach – to nie jest zrównoważone rozwiązanie. Wraz z rozwojem Internetu Rzeczy liczba takich urządzeń będzie rosła. Obecnie ogniwa słoneczne do oświetlenia wewnętrznego są drogie i mało wydajne. Nasze ogniwa perowskitowe są znacznie bardziej efektywne i trwałe, co toruje drogę do elektroniki zasilanej energią z otoczenia.
Profesor dodaje, że ogniwa perowskitowe są tanie w produkcji – wykorzystują powszechnie dostępne surowce i można je wytwarzać w procesach podobnych do druku gazetowego.
Modyfikacje chemiczne kluczem do sukcesu
W celu poprawy jakości materiału badacze wprowadzili chlorek rubidu, który sprzyjał jednorodnemu wzrostowi kryształów perowskitu z minimalnym naprężeniem, zmniejszając liczbę defektów.
Dodatkowo zastosowano dwie sole organiczne – jodek N,N-dimetylooktyloamoniowy (DMOAI) oraz chlorek fenyloetyloamoniowy (PEACl) – które stabilizują jony jodkowe i bromkowe, zapobiegając ich rozdzielaniu się i tworzeniu faz obniżających sprawność ogniwa.
Siming Huang, doktorant w UCL, obrazowo tłumaczy:
- Ogniwo z takimi defektami jest jak tort pokrojony na kawałki – my je ponownie złożyliśmy, aby ładunek mógł przepływać swobodniej. Trzy zastosowane związki chemiczne zadziałały synergicznie, dając efekt większy niż suma ich indywidualnego działania.
Rekordowa sprawność w świetle wewnętrznym
Nowe ogniwa osiągnęły sprawność konwersji na poziomie 37,6% przy oświetleniu 1000 luksów – to rekord świata dla ogniw zoptymalizowanych do pracy w pomieszczeniach.
Po ponad 100 dniach pracy zachowały 92% początkowej wydajności (w porównaniu do 76% w przypadku ogniw referencyjnych). W teście przyspieszonej degradacji – 300 godzin ciągłego oświetlenia w temperaturze 55°C – nowe ogniwa utrzymały 76% wydajności, podczas gdy próbki kontrolne spadły do 47%.
W projekt zaangażowani byli naukowcy z Wielkiej Brytanii, Chin i Szwajcarii. Badania wsparły m.in. Henry Royce Institute for Advanced Materials, UK Engineering and Physical Sciences Research Council, brytyjskie Ministerstwo Bezpieczeństwa Energetycznego i Neutralności Emisyjnej oraz British Council.
Źródło: University College London
