Do budowy perowskitowych ogniw słonecznych (PSC) o wysokiej wydajności konwersji energii (PCE) często wybierany jest polikrystaliczny jodek ołowiu formamidyny (FAPbI3) ze względu na wąską przerwę energetyczną. Niestety, materiał ten cierpi na defekty (niedoskonałości) w strukturze krystalicznej, które wpływają na funkcjonowanie samego panelu.
Czytaj też: Ten jeden dodatek wydłuży żywotność ogniw perowskitowych. Rewolucja na horyzoncie
Aby wypełnić tę lukę, naukowcy z Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) pod kierunkiem prof. Hobeoma Kima opracował nową strategię pasywacji defektów, poprawiając tym samym stabilność perowskitowych ogniw słonecznych. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Perowskitowe ogniwa słoneczne wreszcie zostały znacznie ulepszone
Jednym z kluczowych wyzwań w zastosowaniu perowskitów na szeroką skalę są defekty strukturalne, które prowadzą do degradacji materiału. Mogą one być wprowadzane na różnych etapach produkcji ogniw i prowadzą do powstawania tzw. pułapek elektronowych, które negatywnie wpływają na transfer ładunku w materiale, obniżając efektywność przetwarzania energii słonecznej w elektryczną. Dlatego kluczowym celem naukowców jest opracowanie metod, które zminimalizują wpływ tych defektów na wydajność ogniw.
Czytaj też: Te panele słoneczne osiągnęły rekordową wydajność. Perowskity zapewniły aż 27 proc. skuteczność
Zespół badaczy z GIST zaproponował innowacyjne podejście, które opiera się na zastosowaniu strategii chemicznej pasywacji defektów. Pasywacja to proces, w którym defekty strukturalne w materiale są “usuwane” lub neutralizowane, co zapobiega tworzeniu się pułapek elektronowych. Uczeni poinformowali o wprowadzeniu heksagonalnego politypu (6H) (różne formy strukturalne o tym samym składzie) perowskitu do sześciennego politypu (3C) FAPbI3, co doprowadziło do znacznego wzrostu ich PCE w porównaniu z odpowiednikami.
Prof. Hobeom Kim z GIST mówi:
Do tej pory typowym podejściem było wprowadzenie zewnętrznego odczynnika chemicznego w celu rozwiązania problemu defektów. Jednak wprowadzenie zewnętrznych odczynników mogłoby bezpośrednio wpłynąć na jakość krystaliczną perowskitu podczas wzrostu kryształu, więc nasza praca nie polega na takich stabilizatorach. Zamiast tego stosujemy chemicznie identyczny polityp perowskitu, polityp 6H zawierający składnik współdzielący narożniki, który skutecznie tłumi powstawanie defektów w perowskicie.
Naukowcy włączyli perowskit 6H do FAPbI3, stosując nadmiar jodku ołowiu i chlorku metyloamoniowego, tworząc w ten sposób komponent, który interweniował w dominującym miejscu defektu. Taki zabieg poprawił integralność strukturalną i dynamikę nośników FAPbI3. Doprowadziło to do długiego czasu życia nośników wynoszącego ponad 18 mikrosekund, PSC z PCE wynoszącym 24,13 proc. i modułu z PCE wynoszącym 21,92 proc. przy długoterminowej stabilności operacyjnej.
Badanie wykazało, w jaki sposób defekty inżynieryjne perowskitu mogą przyspieszyć rozwój zaawansowanych PSC do zastosowań osobistych i komercyjnych, takich jak panele słoneczne na dachach, elektronika noszona na ciele i przenośne ładowarki.