Sprawa jest o tyle pilna, że zapotrzebowanie na energię elektryczną ma wzrosnąć z obecnych 20% do ponad 50% globalnego zużycia w ciągu najbliższych 25 lat. W tym kontekście każdy postęp w dziedzinie odnawialnych źródeł energii nabiera fundamentalnego znaczenia.
Molekuły, które nie chcą się ustatkować
Zespół z Uniwersytetu Technologicznego Chalmersa skoncentrował się na jodku ołowiu formamidyniowym (FAPbI3), uznawanym za jeden z najbardziej obiecujących przedstawicieli perowskitów halogenkowych. Materiał ten zachwyca właściwościami optoelektronicznymi, ale jego praktyczne wykorzystanie blokowała dotąd zagadkowa niestabilność. Badacze postanowili przyjrzeć się, co dzieje się z tym związkiem w ekstremalnie niskich temperaturach.
Czytaj także: Perowskitowa kamera pozwala zajrzeć do ludzkiego wnętrza. Technologia przyszłości już działa
Okazało się, że cząsteczki formamidyniowe nie przechodzą w stan podstawowy podczas schładzania, tylko zatrzymują się w metastabilnej fazie. Powstaje wówczas struktura charakteryzująca się specyficznym, uporządkowanym nieładem. Wbrew wcześniejszym przypuszczeniom o chaosie molekularnym, naukowcy zaobserwowali tworzenie się korelacji w kształcie litery T oraz tak zwanych sfrustrowanych orientacji. Bariera energetyczna uniemożliwiająca przejście do stanu podstawowego sięga ponad 100 meV w temperaturze 200 K.
Komputery, które widzą to czego ludzie nie dostrzegają.
Przełomu nie udałoby się osiągnąć bez zaawansowanych symulacji komputerowych wspieranych algorytmami uczenia maszynowego. Konwencjonalne metody badawcze po prostu nie radziły sobie z modelowaniem złożonych procesów zachodzących w skali molekularnej. Nowe podejście umożliwiło prowadzenie symulacji tysiąckrotnie dłuższych niż dotychczas oraz pracę na modelach zawierających miliony atomów zamiast zaledwie setek. To przybliża naukowców do odtworzenia rzeczywistych warunków i lepszego zrozumienia mechanizmów degradacji materiału.
Wyniki teoretyczne zyskały potwierdzenie w eksperymentach przeprowadzonych przez zespół z University of Birmingham. Schłodzenie próbek do -200°C wykazało pełną zgodność z przewidywaniami symulacyjnymi, co dowodzi wiarygodności nowej metodologii badawczej.
Zrozumienie niskotemperaturowego zachowania FAPbI3 otwiera nowe możliwości rozwiązania problemu stabilności perowskitów. Badacze sugerują, że klucz może leżeć w kontrolowanym mieszaniu różnych typów tych materiałów, co wcześniej było utrudnione z powodu niepełnej wiedzy o ich właściwościach.
Czytaj także: Koniec problemów z perowskitowymi ogniwami słonecznymi. Japońska firma znalazła sposób na ich masową produkcję
Perowskity halogenkowe rzeczywiście prezentują imponujące zalety w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi. Pozwalają na wytwarzanie lekkich, elastycznych paneli przy znacząco niższych temperaturach produkcji i kosztach, nie tracąc przy tym na wydajności konwersji energii. Trzeba jednak przyznać, że droga od odkrycia laboratoryjnego do masowej implementacji jest zwykle długa i wyboista. Historia technologii pełna jest obiecujących wynalazków, które nigdy nie opuściły murów instytutów badawczych.
Odkrycie opublikowane w Journal of the American Chemical Society z całą pewnością stanowi ważny krok naprzód. Lepsze zrozumienie struktury tych materiałów może w perspektywie kilkunastu lat zaowocować praktycznymi zastosowaniami. Patrząc realnie, perowskity raczej nie zastąpią nagle krzemu, ale mogą stworzyć dla niego wartościowe uzupełnienie, szczególnie w niszowych zastosowaniach gdzie liczy się waga i elastyczność. To i tak byłby spory sukces w dążeniu do czystszej energii.