O najbliższej przyszłości fotowoltaiki zadecydują materiały z grupy perowskitów – twierdzą naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Badacze zaprezentowali właśnie udoskonaloną formę tego minerału, która pozwoli na stworzenie znacznie wydajniejszych ogniw słonecznych.
Polscy badacze zdołali uzyskać znacznie lepszą odmianę perowskitu, która zawiera w strukturze krystalicznej relatywnie duży jon organiczny – kation guanidynowy. Podczas testów laboratoryjnych przeprowadzonych na Politechnice Federalnej w Lozannie materiał osiągnął znacznie lepsze wyniki od swoich poprzedników – ogniw zbudowanych z użyciem pierwotnej postaci perowskitu.
Perowskity to duża grupa materiałów fotowoltaicznych o sześciennej strukturze krystalicznej. Pierwszym znanym perowskitem był tytanian(IV) wapnia - minerał odkryty na Syberii w 1838 roku i nazwany na cześć rosyjskiego geologa Lwa Perowskiego. Szybko się okazało, że możliwe jest kształtowanie w kontrolowany sposób właściwości fizykochemicznych perowskitów - poprzez zastępowanie w ich strukturze jonów tlenkowych, wapnia i tytanu innymi jonami.
Nowy perowskit opracowany przez zespół naukowców kierowanych przez prof. dr hab. inż. Janusza Lewińskiego został uzyskany metodą mechanochemii – czyli poprzez fizyczne ucieranie substancji chemicznych tzw. prekursorów o odpowiednio dobranej strukturze. Oczywiście wszystko we właściwych proporcjach. W przeciwieństwie do standardowych reakcji chemicznych, przebiegających w roztworach, reakcja mechanochemiczna w całości zachodzi w fazie stałej, a transformacje chemiczne są indukowane siłą mechaniczną.
„Ogromną zaletą mechanochemii jest możliwość szybkiego przeprowadzenia złożonych reakcji chemicznych bez konieczności stosowania wysokich temperatur czy szkodliwych rozpuszczalników organicznych. To prawdziwie zielona chemia, z uwagi na niewymagający sprzęt laboratoryjny przyjazna także portfelowi” - tłumaczy na stronach IChF PAN zaangażowany w badania dr inż. Daniel Prochowicz.
Obecnie jednym z głównych obszarów zastosowań perowskitów jest fotowoltaika. - Używane tu organiczno-nieorganiczne perowskity halogenkowe zwykle zawierają organiczne kationy metyloamoniowe, znajdujące się w centrach sześcianów sieci krystalicznej. Kationy te łatwo ulegają stopniowej degradacji pod wpływem czynników zewnętrznych, np. wody, ale także wskutek reakcji fotochemicznych lub działania podwyższonej temperatury. My podjęliśmy próbę mechanochemicznego zastąpienia części kationów metyloamoniowych przez jony guanidyny. Wybór właśnie tego ostatniego związku nie był przypadkowy – wyjaśnia w komunikacie udostępnionym na stronach internetowych IChF PAN mgr inż. Marcin Saski, doktorant w IChF PAN, jeden ze współautorów publikacji w prestiżowym czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society”.
We wspomnianych wcześniej testach przeprowadzonych w Szwajcarii nowy perowskity uzyskał większą wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną z ok. 18 na ponad 19 proc. Badacze jednak podkreślają, że po zoptymalizowaniu warunków otrzymywania ogniwa można oczekiwać dalszego wzrostu wydajności. Jednocześnie udało się podnieść napięcie wytwarzanego prądu do 1,1 V.
„Poprawa parametrów fotowoltaicznych w perowskitach zawierających jony guanidynowe nie jest może szczególnie spektakularna, ale bardzo wyraźna. Co więcej, wzrosty widać nie w jednym, a w kilku istotnych parametrach. Warto zwrócić uwagę, że nasze perowskity z guanidyną zawierają mniej lotną aminę i są bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych od macierzystego perowskitu. Wyższa trwałość ogniw fotowoltaicznych to niebagatelny argument przemawiający za ich komercjalizacją” - podkreśla prof. Lewiński.
Źródło: IChF PAN, fot. af.mil
