Prosta zamiana, która otworzyła nowe możliwości
Na początku drugiej dekady XXI wieku uwagę świata nauki przyciągały barwnikowe ogniwa słoneczne. Wydawały się tańszą i bardziej uniwersalną alternatywą dla dominujących paneli krzemowych. Ich zasadniczą wadą była jednak niestabilność – organiczne ciekłe elektrolity, które zawierały parę redoks jodek-trijodek, miały tendencję do wyciekania, odparowywania i powodowania korozji, co drastycznie skracało żywotność urządzeń. Zespół Kanatzidisa wpadł na pomysł, który z perspektywy czasu wygląda na genialnie prosty. Zamiast walczyć z kapryśną cieczą, postanowili ją całkowicie wyeliminować. W jej miejsce wprowadzili stały półprzewodnik na bazie perowskitu, konkretnie związku CsSnI3. Ten materiał, który można było nakładać z roztworu, okazał się mieć podwójną funkcję: potrafił zarówno absorbować światło, jak i przewodzić ładunki elektryczne.
W tamtym czasie nasza praca rozwiązała długotrwały problem: niestabilność i wycieki związane z ciekłymi elektrolitami – wspomina Kanatzidis
Po połączeniu domieszkowanego fluorkiem cyny perowskitu z nanoporowatym dwutlenkiem tytanu i barwnikiem N719, powstało pierwsze w pełni funkcjonalne, stałe ogniwo słoneczne wykorzystujące ten materiał. Jego sprawność konwersji energii sięgnęła 10,2%, co na ówczesne czasy było wynikiem więcej niż obiecującym.
Perowskity kontra tradycyjny krzem
Od tamtego pionierskiego eksperymentu minęło kilkanaście lat i technologia poszła mocno do przodu. Dzisiejsze ogniwa perowskitowe osiągają sprawności porównywalne z dojrzałymi już panelami krzemowymi. Co ciekawe, prawdziwy przełom wydaje się tkwić w łączeniu różnych materiałów. Ogniwa tandemowe, czyli wielowarstwowe struktury, w warunkach laboratoryjnych przekraczają już barierę 30% sprawności. Kluczem do efektywności perowskitu CsSnI3 okazała się jego przerwa energetyczna wynosząca 1,3 elektronowolta. Dzięki tej właściwości materiał znacznie lepiej pochłania światło z czerwonej części widma niż wcześniejsze ogniwa barwnikowe. To bezpośrednio przekłada się na możliwość generowania większej ilości energii w rzeczywistych warunkach oświetleniowych.
Czytaj też: Energia słoneczna przez 24 godziny na dobę. Ta technologia wejdzie szybciej, niż mogliśmy przypuszczać
Nasz artykuł pokazał, że perowskity mogą być przetwarzane z roztworu w ciągłe filmy i że mogą osiągać dwucyfrowe wydajności w cienkich architekturach – dodaje badacz
Metoda tworzenia cienkich warstw perowskitu z roztworu, zaprezentowana w 2012 roku, do dziś stanowi podstawę dla znacznej części badań w tej dziedzinie. I choć medialny szum wokół perowskitów koncentruje się głównie na fotowoltaice, ich prawdziwa siła leży w uniwersalności. Unikalne właściwości optyczne oraz elektryczne tych materiałów znalazły zastosowanie w wielu, czasem zaskakujących, obszarach. Dzięki nim powstały nowe generacje wyświetlaczy LED o żywszych kolorach i niższym poborze mocy. W medycynie, detektory promieniowania rentgenowskiego i gamma bazujące na perowskitach oferują lekarzom lepszą czułość obrazowania. Materiały te wykorzystuje się także do budowy laserów o precyzyjnie dostrojonej emisji światła. Ta wszechstronność sugeruje, że perowskity mogą stać się jednym z fundamentów elektroniki przyszłości, nie tylko tej związanej z OZE.