Od lat mówi się o perowskitach jak o przyszłości fotowoltaiki. Materiały te zachwycają naukowców swoją niemal doskonałą zdolnością do przechwytywania światła, przy grubościach nieporównywalnie mniejszych niż te wymagane przez tradycyjny krzem. Główną przeszkodą pozostawała jednak kruchość, bo stworzenie ogniwa, które wytrzyma tysiące zgięć, wydawało się odległym marzeniem. W świecie perowskitów problemem nie jest już bowiem to, “ile procent sprawności wyciśniemy z ogniwa”, ale to, czy ta sprawność przetrwa tysiące cykli naprężeń mechanicznych i długie miesiące pracy w realnych warunkach.
Klasyczne podejścia do poprawy parametrów perowskitów często wzmacniają jedne właściwości kosztem innych: powiększanie ziaren lub agresywna pasywacja powierzchni potrafią poprawić sprawność, ale osłabiają odporność mechaniczną cienkiej warstwy na elastycznym podłożu. Oto jednak wygląda na to, że chińscy badacze znaleźli sposób na obejście tej fundamentalnej bariery. Zespół z Jinan University i Guangdong Mellow Energy opracował metodę, dzięki której elastyczne ogniwo zachowało ponad 92% sprawności po dziesięciu tysiącach cykli zginania. Jest to niezwykle obiecujący wynik, ale prawdziwa wartość ich pracy leży w tym, jak tego dokonali.
Amorficzny bufor mechaniczny, czyli jak nadać perowskitom wytrzymałość
Podstawowym wyzwaniem jest sama natura perowskitu. Jego miękka struktura krystaliczna łatwo ulega zniszczeniu pod wpływem wszelkich naprężeń. Zginanie prowadzi do przemieszczania się ziaren, powstawania mikropęknięć i stopniowego rozwarstwiania się ogniwa. Naukowcy zauważyli, że potrzebne jest podejście zupełnie inne niż w przypadku sztywnych paneli.
Elastyczne urządzenia perowskitowe wymagają strategii pasywacji dostosowanych specjalnie do systemów elastycznych – te podejścia powinny fundamentalnie różnić się od tych stosowanych dla modułów sztywnych – Dr. Shaohang Wu, Jinan University
Czytaj też: Ten samolot miał utrzymać Międzynarodową Stację Kosmiczną, ale stanie się jeszcze ważniejszy
Ich pomysł polegał na wypełnieniu przestrzeni między ziarnami perowskitu specjalnym, amorficznym materiałem, który działa jak mechaniczny poduszka. Podczas zginania, to właśnie ten bufor absorbuje i rozprasza siły, chroniąc delikatną strukturę krystaliczną przed bezpośrednim uszkodzeniem. Koncepcja jest prosta, ale jej wykonanie wymagało precyzyjnego inżynierii molekularnej.
Wyjątkowa warstwa amortyzująca wypadła fenomenalnie
Kluczowe było znalezienie odpowiednich związków chemicznych do stworzenia tej amortyzującej warstwy. Badacze sięgnęli po algorytmy uczenia maszynowego, aby zaprojektować molekuły, które są nie tylko elastyczne, ale również stabilne elektrycznie podczas ciągłej deformacji. Opracowana przez nich amorficzna warstwa pasywacyjna wchodzi w interakcję z jonami w perowskicie, stabilizując jego poziomy energetyczne, ale bez tracenia swoich ochronnych właściwości.
Nowa warstwa nie jest jednak ot byle przypadkowym polimerem dolanym do mieszaniny, ale zaprojektowanym układem gospodarza i gościa na poziomie molekularnym. Zastosowania doczekały się pochodne β-cyklodekstryny, które tworzą amorficzną fazę na granicach ziaren, wiążąc się z jonami ołowiu i jodu. Dzięki temu granice ziaren przestają być elektrycznie i mechanicznie “słabym punktem”. Warstwa wypełniająca działa jak elastyczna spoina, bo tłumi lokalne naprężenia, utrudnia powstawanie mikropęknięć i jednocześnie pasywuje defekty odpowiedzialne za straty energetyczne.
Efekty tego podejścia są wymierne. Laboratoryjne ogniwa osiągnęły bowiem sprawność konwersji na poziomie 24,52%, co stawia je wśród najwydajniejszych technologii fotowoltaicznych. Najważniejszy jest jednak wskaźnik trwałości, bo po wspomnianych 10000 zgięciach ogniwa nadal działały z ponad 92% początkowej efektywności. Stanowi to pierwszy tak wyraźny sygnał, że elastyczne perowskity mogą stać się praktyczne. Autorzy badań nie ograniczyli się do testów zginania. Potwierdzili, że ogniwa zachowały około 95% początkowej sprawności po 300 dniach przechowywania w powietrzu oraz około 80% po 650 godzinach pracy przy śledzeniu punktu maksymalnej mocy. Stanowi to ważny sygnał, że poprawa odporności mechanicznej nie odbyła się kosztem stabilności operacyjnej, która dotąd była jedną z największych barier dla komercyjnych perowskitów.
Czytaj też: Przełom w wydruku metali. Zrobili z drukarki 3D mikroskopijnego kowala do pracy “atom po atomie”
Jeszcze ciekawiej robi się przy większych powierzchniach. Zamiast zatrzymać się na typowych dla laboratoriów próbkach wielkości znaczka pocztowego, zespół zbudował całą rodzinę elastycznych modułów. Mniejsze, certyfikowane moduły osiągały sprawność na poziomie ponad 21% przy powierzchni nieco powyżej 20 centymetrów kwadratowych, a przy około 0,5 metra kwadratowego badaczom udało się uzyskać 17,38% sprawności i moc rzędu 86,9 W. Największy, elastyczny moduł o powierzchni około 1,47 metra kwadratowego zaczął generować 226 watów mocy i oferować imponującą gęstość mocy 558 W na kilogram masy.
Nie na Ziemi, a w kosmosie. Dlaczego akurat tam?
Najbliższym polem do popisu dla tej technologii wydaje się przestrzeń kosmiczna. Brak tlenu i wilgoci eliminuje dwa główne czynniki degradujące perowskity. Ich lekkość, elastyczność i wysoka wydajność czynią je idealnymi kandydatami do zasilania satelitów czy przyszłych baz orbitalnych. Na Ziemi sprawa wygląda znacznie gorzej. Głównym problemem jest zapewnienie długoterminowej stabilności w zmiennych warunkach atmosferycznych. Kluczowa jest doskonała hermetyzacja, chroniąca ogniwo przed parą wodną i tlenem. Obecnie wysokiej jakości folie barierowe są bardzo drogie i mogą stanowić nawet 40% całkowitego kosztu takiego elastycznego modułu. Ich ceny i dostępność są zmienne, co poważnie utrudnia planowanie komercjalizacji.
Nasze kolejne badania skupią się na dwóch priorytetach: zwiększeniu stosunku mocy do wagi oraz redukcji kosztów hermetyzacji, by poprawić ogólną wartość i komercyjną żywotność – Dr. Shaohang Wu
Planowane są również prace nad zwiększeniem wewnętrznej odporności materiału na wilgoć i wysoką temperaturę. Gdyby udało się zmniejszyć zależność od drogich powłok ochronnych, to szanse na rynkowy sukces znacząco by wzrosły. Pytanie jednak brzmi, co będzie pierwsze: panele na satelitach czy może na plecakach lub nietypowych powierzchniach budynków? Patrząc realnie, kosmos jest znacznie bliżej dla tej technologii niż nasze dachy.
Czytaj też: Wystarczył tani akumulatorowy trik. Odkryli sekret większego zasięgu w samochodach elektrycznych
Warto też pamiętać o jeszcze jednym czynniku – ołowiu. Większość wydajnych perowskitów zawiera ten metal, co oznacza, że równolegle z pracami nad sprawnością i trwałością trzeba rozwijać technologie odzysku, recyklingu i bezpiecznej obudowy na wypadek uszkodzeń. Dopiero połączenie tych trzech osi rozwoju, a więc sprawności, mechanicznej odporności oraz bezpieczeństwa środowiskowego, zdecyduje o tym, czy elastyczne perowskity staną się niszą dla zastosowań kosmicznych i specjalistycznych, czy też trafią na fasady budynków, panele w transporcie i lekkie instalacje w miejscach, gdzie klasyczny krzem jest zwyczajnie zbyt ciężki i zbyt sztywny.
Na dziś można jednak powiedzieć jedno: po raz pierwszy widzimy elastyczne perowskity, które bronią się nie tylko liczbami z laboratoriów, ale też serią testów wytrzymałościowych i demonstracją modułów o zbliżonej skali do realnych zastosowań. To wciąż etap badań, ale argumentów za tym, że ta technologia zasługuje na poważne traktowanie, jest zdecydowanie więcej niż kilka lat temu.
