Ogniwa słoneczne z perowskitu: klucz do długoterminowej stabilności

Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu są tanie w produkcji i bardzo wydajne. Jeśli jednak zostaną użyte na zewnątrz, w rzeczywistych warunkach atmosferycznych, pojawia się wątpliwość, jak długo pozostaną stabilne. Tematem tym zajmuje się obecnie międzynarodowa współpraca pod przewodnictwem prof. Antonio Abate w czasopiśmie Nature Reviews Materials. Naukowcy zbadali wpływ powtarzających się cykli termicznych na mikrostruktury i oddziaływania pomiędzy różnymi warstwami ogniw słonecznych z perowskitu. Wniosek: Czynnikiem decydującym o degradacji perowskitów metalohalogenkowych jest naprężenie cieplne. Można to wykorzystać do opracowania strategii mających na celu zwiększenie długoterminowej stabilności ogniw fotowoltaicznych z perowskitu.

Perowskity to klasa materiałów o właściwościach półprzewodnikowych, które idealnie nadają się do przetwarzania energii w ogniwach słonecznych: najlepsze z nich, perowskity metalohalogenkowe, zapewniają już wydajność sięgającą 27%. Produkcja takich cienkowarstwowych ogniw słonecznych wymaga niezwykle małych ilości materiałów i energii, co mogłoby spowodować, że energia słoneczna stałaby się znacznie tańsza. Jednakże, gdy moduły słoneczne są stosowane na zewnątrz, powinny zapewniać stabilną wydajność przez co najmniej 20–30 lat. A w materiałach perowskitowych jest jeszcze wiele do udoskonalenia.

Międzynarodowa współpraca badawcza pod przewodnictwem prof. Antonio Abate'a opublikowała właśnie wyniki kilkuletniej pracy w artykule przeglądowym w renomowanym czasopiśmie Nature Reviews Materials . Wraz z zespołem kierowanym przez prof. Meng Li z Uniwersytetu Henan w Chinach oraz innymi partnerami z Włoch, Hiszpanii, Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i Niemiec wykazali, że naprężenia cieplne są decydującym czynnikiem degradacji perowskitów metalohalogenkowych.

„Chociaż kapsułkowanie może skutecznie chronić komórki przed wilgocią i tlenem atmosferycznym, to gdy są stosowane na zewnątrz, nadal są narażone na duże wahania temperatury w dzień i w nocy oraz o każdej porze roku” – mówi Abate. W zależności od warunków geograficznych temperatury wewnątrz ogniw słonecznych mogą wynosić od minus 40 stopni Celsjusza do plus 100 stopni Celsjusza (np. na pustyni).

Aby to zasymulować, ogniwa perowskitowe biorące udział w badaniu wystawiono na działanie jeszcze większych różnic temperatur: od minus 150 stopni Celsjusza do plus 150 stopni Celsjusza, i to wielokrotnie. Doktorze Guixiang Li (wówczas adiunkt w HZB, obecnie profesor na Uniwersytecie Południowo-Wschodnim w Chinach) badał, w jaki sposób mikrostruktura wewnątrz warstwy perowskitu zmieniała się w trakcie cykli i w jakim stopniu oddziaływania z sąsiednimi warstwami również ulegały zmianom w trakcie cykli temperaturowych.

To również zmniejszyło wydajność ogniwa. W szczególności duże wahania temperatury powodowały naprężenia cieplne zarówno w cienkiej warstwie perowskitu, jak i pomiędzy różnymi sąsiadującymi warstwami: „W ogniwie słonecznym z perowskitu warstwy wykonane z bardzo różnych materiałów muszą być w idealnym kontakcie; Niestety, materiały te często wykazują zupełnie inne właściwości termiczne” – wyjaśnia Abate. Na przykład tworzywa sztuczne mają tendencję do kurczenia się pod wpływem ciepła, podczas gdy materiały nieorganiczne mają tendencję do rozszerzania się. W rezultacie kontakt między warstwami staje się z każdym cyklem coraz gorszy. Dodatkowo zespół badał również lokalne przejścia fazowe i dyfuzję pierwiastków do sąsiednich warstw.

Na tej podstawie naukowcy opracowali strategię mającą na celu zwiększenie długoterminowej stabilności ogniw słonecznych z perowskitu. „Kluczowe jest napięcie termiczne” – mówi Abate. Głównym celem jest zwiększenie odporności struktur perowskitowych i warstw przyległych na naprężenia termiczne, np. poprzez zwiększenie jakości krystalicznej, ale także poprzez zastosowanie odpowiednich warstw buforowych. Aby prawidłowo i jednolicie określić stabilność przy zmianach temperatury, konieczne są standaryzowane protokoły testowe.