Naukowcy z Huaqiao University osiągnęli przełomowy wynik w technologii ogniw perowskitowych, opracowując urządzenie o sprawności konwersji energii na poziomie 26,39 proc. Sukces ten zawdzięczają zastosowaniu ultracienkiej warstwy polimerowej D18, która poprawia ekstrakcję dziur i blokuje migrację jonów, zwiększając stabilność i wydajność urządzenia. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Rekordowe ogniwa perowskitowe prosto z Chin
Problem migracji jonów uznawany jest za główną przyczynę degradacji ogniw perowskitowych. Wynika on z charakterystyki materiału perowskitowego – jego miękka struktura krystaliczna oraz słabe wiązania chemiczne sprawiają, że defekty mogą powstawać stosunkowo łatwo pod wpływem ciepła i światła. Jony przemieszczające się wewnątrz ogniwa deformują lokalną strukturę kryształu, co prowadzi do degradacji warstw transportujących elektrony i dziury oraz kontaktów elektrody.
Czytaj też: Rekordowa wydajność ogniwa słonecznego. Połączenie dwóch światów dało spektakularne wyniki
Inspiracją dla chińskich naukowców była technologia wykorzystywana w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM), która blokuje dyfuzję innych cząsteczek chemicznych, umożliwiając jednocześnie przepływ protonów. Na podobnej zasadzie stworzono warstwę pośrednią w ogniwie perowskitowym, mającą na celu zablokowanie dyfuzji jonów pomiędzy warstwami urządzenia.
Nowa warstwa została wykonana z polimerowego materiału PDTBT2T-FTBDT, znanego również jako D18. Charakteryzuje się on wysoką płynnością, dzięki czemu po rozpuszczeniu w gorącym roztworze chlorobenzenu i nałożeniu metodą tzw. spin-coatingu tworzy gęstą, jednorodną membranę na powierzchni perowskitowej. Ogniwo zbudowano na szklanym podłożu pokrytym warstwą tlenku cyny domieszkowanego fluorem (FTO). Pozostałe elementy to warstwa transportująca elektrony (ETL) z tlenku cyny (SnO2), warstwa absorpcyjna z perowskitu, warstwa transportująca dziury Spiro-OMeTAD i metalowy kontakt ze złota.
Testy przeprowadzone pod standardowym oświetleniem wykazały, że ogniwo osiągnęło sprawność 26,39 proc., co jest jednym z najlepszych wyników uzyskanych dotychczas dla perowskitów. Ogniwo osiągnęło napięcie obwodu otwartego 1,185 V, prąd zwarcia 26,54 mA/cm2 oraz współczynnik wypełnienia wynoszący 83,92 proc. Dla porównania, ogniwo referencyjne bez warstwy D18 uzyskało sprawność 24,43 proc., co pokazuje, jak istotny wpływ na wydajność ma zastosowanie innowacyjnej warstwy pośredniej.
Co więcej, badania wykazały, że nowe ogniwo jest niezwykle stabilne. Po 1100 godzinach pracy pod obciążeniem zachowało 95,4 proc. swojej początkowej sprawności. To niezwykle obiecujący wynik, ponieważ wcześniejsze wersje ogniw perowskitowych szybko traciły wydajność z powodu degradacji materiału.
Technologia ogniw perowskitowych jest uważana za przyszłość fotowoltaiki ze względu na ich potencjalnie niższe koszty produkcji i wyższą sprawność w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi. Jednak ich komercjalizację hamowały dotychczas problemy ze stabilnością.