Nowe materiały, które mają poprawić wydajność perowskitowych ogniw fotowoltaicznych

Najnowsze badania w zakresie technologii materiałowej mogą pomóc w zwiększeniu wydajności konwersji perowskitowych ogniw fotowoltaicznych. Tego rodzaju panele fotowoltaiczne są relatywnie nową technologią na rynku i zyskują coraz większą popularność.

Na wydajność konwersji tych ogniw mają wpływ m.in. defekty jonowe, jakie zawarte są w ich strukturze. Defekty tego rodzaju są w stanie poruszać się w objętości ogniwa w czasie jego pracy, zmieniając środowisko elektryczne w komórce i redukując wydajność konwersji.

Ogniwa tego typu wykorzystują materiały z grupy perowskitów (rodzaju minerałów) do absorbcji światła, co tworzy parę ładunków różnoimiennych, a następnie wpływa na ich separację, zanim ulegną straceniu w procesie rekombinacji. Rekombinacja zachodzić może w różnych obszarach ogniwa. Czasami zachodzi głównie w objętości perowskitu, a czasami koncentruje się na interfejsach pomiędzy warstwą aktywną, a sąsiednimi warstwami, czyli tzw. warstwami transportowymi.

Badacze z uniwersytetów w Portsmouth, Southampton i Bath opracowali nowatorską metodę na takie strojenie własności warstwy transportowej, że defekty jonowe w perowskicie poruszając się, tłumią rekombinację nośników. Dzięki temu ekstrakcja nośników jest wydajniejsza, a w konsekwencji ogniwo produkuje więcej energii elektrycznej.

Jak tłumaczy doktor Jamie Foster z Portsmouth, który był zaangażowany w badania: – Odpowiednie zaprojektowanie komórki pozwala na manipulowanie defektami jonowymi tak, by przesuwały się do regionów, gdzie ich obecność pozwoli zwiększyć wydajność ekstrakcji ładunków z warstwy aktywnej, zwiększając w ten sposób ilość mocy, jaką może dostarczyć ogniwo”.

Opisane badania opublikowane zostały w czasopiśmie naukowym „Energy and Environmental Science”. W ramach opisywanego projektu naukowcy wskazali, że wydajność konwersji perowskitowych ogniw fotowoltaicznych silnie związana jest z przenikalnością elektryczną tego materiału (zdolnością substancji do magazynowania pola elektrycznego) oraz wypadkowego poziomu domieszkowania warstw transportowych. – Zrozumienie tego, jak parametry warstw transportowych wpływają na parametry całego ogniwa PV jest kluczowe do projektowania możliwie najwydajniejszych i najtrwalszych komórek fotowoltaicznych – komentuje dr Foster. – Odkryliśmy, że ruchliwość jonów pełni istotną rolę w stacjonarnych parametrach pracy ogniwa z uwagi na wyniki nagromadzenia ładunku jonowego w materiale i zawężaniu pasm energetycznych na interfejsie pomiędzy perowskitem a warstwą transportową.

Nasze badania sugerują, że poziom domieszkowana i/lub przenikalność elektryczna każdej z warstw transportowych ogniwa może być optymalizowana, by zredukować straty nośników związane z ich rekombinacją na interfejsie pomiędzy tymi warstwami – wyjaśnia badacz. – Dzięki identyfikacji tego i innych powodów ograniczających prędkość przepływu ładunków przez ogniwo nasza praca dostarcza narzędzia pozwalające na łatwe dobieranie parametrów warstwy transportowej, by zwiększyć wydajność konwersji całego urządzenia.

Badacze sugerują także, że perowskitowe ogniwa PV z warstwami transportowymi o niskiej przenikalności elektrycznej i mniejszym poziomie domieszkowania są stabilniejsze w dłuższej perspektywie czasu niż ogniwa o dużej ilości domieszek i wysokiej przenikalności warstw transportowych. Wynika to z faktu, że tego rodzaju ogniw mają mniejszą ilość wakansów jonowych, akumulujących się w warstwach aktywnego perowskitu. Powstawanie wakansów jest jednym z czynników, który identyfikuje się z degradacją chemiczną perowskitów wykorzystywanych w ogniwach fotowoltaicznych.

Tego rodzaju odkrycie jest równie ważne, jak odnalezienie możliwości zwiększenia wydajności konwersji, dzięki optymalizacji warstw transportowych, ponieważ głównym problemem omawianej technologii nie jest niska wydajność, a ograniczona trwałość ogniwa, co uniemożliwia ich realne wykorzystanie komercyjne.