Te okna produkują energię słoneczną. Są przyszłością fotowoltaiki

Naukowcy z Koreańskiego Instytutu Badań nad Energią (KIER) opracowali półprzezroczyste ogniwa słoneczne na bazie perowskitu, które charakteryzują się rekordową efektywnością konwersji energii na poziomie 21,68 proc.

Półprzezroczyste ogniwa z perowskitu to takie, które pozwalają na przenikanie części światła, a część zamieniają w energię. Takie ogniwa mogą być używane jako okna lub elewacje budynków, tworząc tzw. budynki zeroenergetyczne, które same produkują tyle energii, ile zużywają. Mogą być też łączone z innymi typami ogniw, np. z krzemu, tworząc tzw. ogniwa tandemowe, które wykorzystują szerszy zakres spektrum światła i mają wyższą sprawność.

Więcej o nowościach na rynku fotowoltaiki przeczytasz na Spider`s Web:

Zespół badawczy z KIER, pod kierownictwem dr. Lee Min-ho, osiągnął znaczący postęp w tej dziedzinie, tworząc półprzezroczyste ogniwa z perowskitu o rekordowej sprawności 21,68 proc. i znakomitej stabilności, utrzymującej ponad 99 proc. początkowej wydajności po 240 godz. pracy i 400 godz. przebywania w ciemności. To najlepszy wynik na świecie wśród ogniw z perowskitu używających przezroczystych elektrod.

Ogniwa słoneczne z perowskitu są obecnie jednym z najgorętszych tematów w nauce i technologii, ponieważ mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami z krzemu. Są tańsze, łatwiejsze w produkcji, bardziej elastyczne i mogą być dopasowane do różnych długości fal światła. Mają też potencjał, aby osiągnąć bardzo wysoką sprawność, przekraczającą 30 proc., co oznacza, że mogą zamienić ponad jedną trzecią padającego światła w energię elektryczną.

Jednym z największych wyzwań w rozwoju ogniw z perowskitu jest jednak ich stabilność. Perowskity są bardzo wrażliwe na wilgoć, temperaturę, tlen i inne czynniki środowiskowe, które mogą uszkadzać ich strukturę i obniżać ich wydajność. Dlatego naukowcy na całym świecie starają się znaleźć sposoby na poprawę trwałości i niezawodności tych ogniw, aby mogły być stosowane w praktyce.

Aby wyprodukować półprzezroczyste ogniwa słoneczne, koreański zespół zdecydował się zastąpić metalowe elektrody, które sprawiają, że konwencjonalne ogniwa słoneczne są nieprzezroczyste, przezroczystymi, które przepuszczają przez nie światło. Brzmi banalnie prosto? Tak się tylko wydaje.

Rozwiązanie to generowało bowiem problem degradacji warstwy transportującej dziury, która występuje podczas produkcji półprzezroczystych ogniw. Warstwa ta ma kluczowe znaczenie w ogniwie perowskitowym, ponieważ umożliwia przeniesienie fotogenerowanych dziur do obwodu zewnętrznego.

Aby temu zapobiec, zwykle stosuje się warstwę tlenku metalu, która działa jako bufor między warstwą transportującą dziury a warstwą przezroczystej elektrody. Jednak w porównaniu z nieprzezroczystymi ogniwami wyprodukowanymi w tych samych warunkach, właściwości transportowe i stabilność półprzezroczystych ogniw są zmniejszone, a dokładne przyczyny i rozwiązania nie były dotąd wyjaśnione.

Naukowcy z KIER wykorzystali analizę elektrooptyczną i obliczenia na poziomie atomowym, aby zidentyfikować przyczyny zmniejszenia właściwości transportowych i stabilności, które występują podczas produkcji półprzezroczystych ogniw z perowskitu. Odkryli, że podczas osadzania warstwy tlenku metalu dochodzi do reakcji chemicznej między tlenkiem a warstwą transportującą dziury, co prowadzi do zmiany jej składu i struktury. W rezultacie warstwa ta staje się mniej przewodząca i bardziej podatna na degradację.

Zespołowi udało się rozpoznać przyczynę pogorszenia wydajności, a jednocześnie dowiedzieć się, w jaki sposób lit może pomóc w rozwiązaniu tego problemu. Kiedy jony litu wprowadza się do warstwy transportującej dziury w celu zwiększenia jej przewodności, dyfundują one również do warstwy tlenku metalu, zmieniając w ten sposób jej strukturę elektronową. Aby rozwiązać ten problem, zespół odkrył, że konwersja jonów litu w tlenek litu zapobiega ich dyfuzji do warstwy tlenku metalu, czyniąc ją znacznie bardziej stabilną.