Koreański zespół badawczy poprawił wydajność i żywotność perowskitowych ogniw słonecznych z halogenkiem cyny, stosując nowatorski dodatek 4PTSC. To ulepszenie pozwala ogniwom słonecznym zachować wysoką wydajność przez dłuższy czas, co zapewnia tańsze i bardziej zrównoważone rozwiązania energetyczne.
W świetle trwających kryzysów energetycznych i zmian klimatycznych energia słoneczna staje się coraz bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem energetycznym. W miarę upowszechniania się paneli słonecznych zarówno na rozległych obszarach wiejskich, jak i w gęstych krajobrazach miejskich, badacze pilnie pracują nad udoskonaleniem istniejących technologii fotowoltaicznych i osiągnięciem nowych poziomów w zakresie zrównoważonego rozwoju.
Chociaż bada się wiele rodzajów materiałów fotowoltaicznych, perowskity należą niewątpliwie do najbardziej obiecujących ze względu na ich potencjał w zakresie niskich kosztów produkcji i wyższej wydajności. W szczególności perowskity z halogenkiem cyny (Sn-HP) stanowią skuteczną alternatywę dla wyjątkowo wydajnych perowskitów na bazie ołowiu (Pb). Biorąc pod uwagę, że Sn jest znacznie mniej toksyczny dla środowiska niż Pb, badania nad Sn-HP są wartościowym przedsięwzięciem.
Niestety, perowskitowe ogniwa słoneczne (PSC) wykonane z Sn-HP nadal stoją przed wieloma wyzwaniami, którymi należy się zająć. W szczególności szybka i nieuporządkowana krystalizacja podczas produkcji prowadzi do powstawania defektów w strukturze krystalicznej warstwy perowskitu, co utrudnia skuteczność konwersji. Dodatkowo Sn-HP charakteryzują się niską stabilnością i dużą wrażliwością na wilgoć i warunki otoczenia, co ogranicza ogólną żywotność wykonanych z nich PSC.
Przełom w perowskitowych ogniwach słonecznych
Teraz zespół badawczy z Korei być może znalazł eleganckie i skuteczne rozwiązanie tych problemów. W tym badaniu, opublikowanym niedawno w Zaawansowane Materiały Energetyczne, zespół ujawnił, że wprowadzenie 4-fenylotiosemikarbazydu (4PTSC) jako dodatku podczas produkcji Sn-HP może zwiększyć wydajność PSC.
Rola 4PTSC w wzmacnianiu PSC
Dzięki szeroko zakrojonym analizom i doświadczalnym porównaniom pomiędzy zwykłymi PSC Sn-HP a tymi zawierającymi proponowany dodatek badacze wykazali różnorodne funkcjonalności 4PTSC jako dodatku. „Celowo wybraliśmy wielofunkcyjną cząsteczkę, która działa jako kompleks koordynacyjny i środek redukujący, pasywuje powstawanie defektów i poprawia stabilność” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Dong-Won Kang z Uniwersytetu Chung-Ang, który kierował badaniami. Ale co to oznacza?
Ponieważ 4PTSC pełni funkcję liganda koordynującego, może skutecznie regulować proces wzrostu kryształów. Z jednej strony sprzężony z π pierścień fenylowy w cząsteczce 4PTSC sprzyja preferowanej orientacji wzrostu kryształów, minimalizując powstawanie defektów. Co ciekawe, 4PTSC pasywuje również wszelkie defekty powstałe w wyniku chemicznej koordynacji 4PTSC i SnI2. To z kolei chroni powierzchnię perowskitu i zapobiega uczestnictwu nieskoordynowanych jonów Sn2+ i halogenkowych w niepożądanych reakcjach. Co więcej, miejsca nukleofilowe –NH2 w 4PTSC dodatkowo utrudniają utlenianie SnI2 i migrację jonów, poprawiając stabilność PSC.
Konsekwencje dotyczące wydajności i zrównoważonego rozwoju
Dzięki temu potężnemu dodatkowi naukowcom udało się wyprodukować PSC o niespotykanej dotąd wydajności. „Urządzenia zmodyfikowane 4PTSC osiągnęły szczytową sprawność na poziomie 12,22% przy zwiększonym napięciu w obwodzie otwartym wynoszącym 0,94 V i wykazywały doskonałą stabilność długoterminową, zachowując prawie 100% początkowej sprawności konwersji mocy, nawet po 500 godzinach i około 80% po 1200 h w warunkach otoczenia bez kapsułkowania. Różni się to od wyraźnej degradacji obserwowanej w urządzeniach sterujących w ciągu pierwszych 300 godzin” – podkreśla Kang.
Perspektywy innowacji w zakresie energii odnawialnej
Biorąc pod uwagę, że Sn-HP są stosunkowo niedrogie w produkcji oraz charakteryzują się dobrą wydajnością i dużą trwałością, wyniki tego badania mogą utorować drogę do bardziej dostępnych i trwałych paneli słonecznych. To z kolei może pomóc w obniżeniu cen energii dla ogółu społeczeństwa, przy jednoczesnym zachowaniu bieżących celów w zakresie zrównoważonego rozwoju. „Sprostanie kluczowym wyzwaniom stojącym przed Sn-HP i znaczna poprawa ich wydajności jest zgodna z naszym celem, jakim jest przyczynianie się do opracowywania wydajnych i zrównoważonych rozwiązań w zakresie energii odnawialnej, a tym samym rozwój ekologicznych technologii i promowanie zrównoważonej przyszłości” – podsumowuje Kang.
Naukowcy mają nadzieję, że dalsze wysiłki w tej rozwijającej się dziedzinie badawczej doprowadzą do rewolucji w sposobie wytwarzania czystej energii.
Odniesienie: „Inżynieria dodatków molekularnych 4-fenylotiosemikarbazydu dla szerokopasmowych ogniw słonecznych Sn Halide Perowskit o rekordowej wydajności powyżej 12,2%” autorstwa Padmini Pandey, SungWon Cho, Jitendra Bahadur, Saemon Yoon, Chang-Mok Oh, In-Wook Hwang, Hochan Song, Hyosung Choi, Shuzi Hayase, Jung Sang Cho i Dong-Won Kang, 10 kwietnia 2024 r., Zaawansowane materiały energetyczne.
DOI: 10.1002/aenm.202401188
