Mikroskopijne usterki produkcyjne odpowiadają za szybką degradację
Badacze z University of Colorado Boulder i National Renewable Energy Laboratory odkryli wreszcie źródło problemu. Winowajcą okazują się niemal niewidoczne gołym okiem defekty powstające podczas produkcji. Proces wytwarzania perowskitów przypomina nieco smażenie naleśników: gdy roztwór wysycha, tworzą się mikroskopijne dziury i nierówności. Te minimalne niedoskonałości stają się newralgicznymi punktami całej struktury. Podczas odwrotnego polaryzowania, które występuje gdy fragment panelu jest zacieniony, właśnie w tych miejscach dochodzi do katastrofalnej awarii. Tradycyjne ogniwa krzemowe radzą sobie z tym problemem dzięki diodom bocznikującym, wytrzymując napięcia do -15 V. Perowskity ulegają zniszczeniu już przy zaledwie -1 do -2 V.
Czytaj też: Nadprzewodzący german. Zmienili półprzewodnik w nadprzewodnik w niespodziewanym eksperymencie
Zespół badawczy wykorzystał zaawansowane techniki obrazowania, by zobaczyć na własne oczy moment awarii. Elektroluminescencja, skaningowa mikroskopia elektronowa i wideotermografia pozwoliły śledzić proces degradacji w czasie rzeczywistym. Obrazy termograficzne były szczególnie wymowne. Pokazały, jak defekty stają się punktami, w których materiał gwałtownie się nagrzewa i topi, powodując zwarcie między warstwami kontaktowymi. W ułamku sekundy cała struktura ulega zniszczeniu. Co ciekawe, naukowcy stworzyli też miniaturowe ogniwa o powierzchni zaledwie 0,032 milimetra kwadratowego, pozbawione defektów. Te mikroskopijne konstrukcje wykazały zaskakującą trwałość, ponieważ wytrzymywały wiele godzin odwrotnego polaryzowania bez żadnych oznak degradacji. To wyraźnie wskazuje, iż problem nie leży w samym materiale, lecz w procesie produkcyjnym.
Czy to oznacza przełom w technologii perowskitów?
Odkrycie mechanizmu awarii to tylko część sukcesu. Naukowcy zaproponowali też konkretne rozwiązania. Grubsze warstwy transportu ładunku eliminują sytuacje, w których elektrody znajdują się zbyt blisko siebie. To proste, ale skuteczne zabezpieczenie. Jeszcze bardziej obiecująca technika to osadzanie tlenku cyny metodą osadzania warstw atomowych. Ten sposób zapewnia fizyczne oddzielenie elektrod, tworząc trwałą barierę przeciw zwarciom. Co ważne, nie blokuje migracji jonów metalu, a tworzy skuteczną separację między warstwami.
Czytaj też: Chińczycy mają nowe odnawialne źródło energii. Pływający generator wykorzystuje to, co spada z nieba
Eksperci sugerują przemysłowi przyjęcie czystszych i bardziej jednolitych metod produkcji. Wytwarzanie ogniw bez mikroskopijnych wad oraz z wytrzymałymi warstwami kontaktowymi jest kluczowe dla komercjalizacji. Panele słoneczne muszą działać niezawodnie przez dwie dekady, często w trudnych warunkach – częściowe zacienienie przez liście czy zabrudzenia to codzienność na dachach. Chociaż perspektywa masowej produkcji perowskitów wydaje się bliższa niż kiedykolwiek, nie ma co ogłaszać pełnego sukcesu. Z drugiej strony, zidentyfikowanie konkretnej przyczyny problemu to ogromny krok naprzód. Być może wreszcie uda się wykorzystać potencjał drzemiący w tej obiecującej technologii.