Chociaż krzemowe ogniwa słoneczne doświadczyły imponującego postępu w ostatnich latach, to istnieją nieodłączne ograniczenia ich wydajności i kosztów, wynikające z właściwości materiału. Technologia perowskitowa może pokonać te ograniczenia, ale do tej pory działała poniżej swojego pełnego potencjału. Nasze najnowsze badanie identyfikuje kluczową przyczynę takiego stanu rzeczy i wskazuje drogę rozwoju.wyjaśnia Ted Sargent, University of Toronto
Całkowicie perowskitowe tandemowe ogniwo słoneczne zaprojektowane przez Sargenta i jego współpracowników zapewnia niezwykle wysoką sprawność oraz rekordowe napięcie. W prototypowej wersji naukowcy wykazali potencjał, który mógłby w teorii doprowadzić do uniknięcia podstawowych ograniczeń związanych z tradycyjnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi. Jakby zalet było mało, to mamy kolejną: nowa technologia powinna zapewnić niższy koszt produkcji.
O ile powszechnie stosowane ogniwa słoneczne powstają z płytek bardzo czystego krzemu, tak perowskitowe składają się z kryształów w nanoskali. Te mogą być rozproszone w cieczy, a następnie naniesione na powierzchnię za pomocą tanich i łatwo dostępnych technik. W efekcie końcowy koszt okazuje się znacznie niższy. Poza tym, dostosowując grubość i skład chemiczny warstw kryształów istnieje możliwość dostrojenia tych urządzeń tak, by absorbowały konkretne długości światła i przekształcały w energię elektryczną. Dla kontrastu, krzem zawsze absorbuje tę samą część widma słonecznego.
O szczegółach swoich badań autorzy piszą na łamach Nature. Jak wyjaśniają, wykorzystali dwie różne warstwy perowskitu, przy czym każda była dostrojona do innej części widma słonecznego. W taki sposób powstało tandemowe ogniwo słoneczne. Górna warstwa ma szerszą przerwę pasmową, która dobrze absorbuje w ultrafioletowej części widma, jak również część światła widzialnego. Z kolei dolna ma wąską przerwę i jest dostrojona do podczerwonej części widma. Zapewnia to wyższą elastyczność niż w przypadku krzemowych ogniw.
Perowskitowe tandemowe ogniwo słoneczne zapewnia wysoką wydajność i sprawność konwersji
Co ciekawe, kluczowa innowacja została zaimplementowana, gdy naukowcy przeanalizowali interfejs pomiędzy warstwą perowskitu, w której światło jest absorbowane i przekształcane we wzbudzone elektrony, a sąsiednią, nazywaną warstwą transportu elektronów. Jak się okazało, pole elektryczne na powierzchni warstwy perowskitu nie było jednolite.
Czytaj też: Obowiązkowe panele słoneczne na parkingach. Europejski kraj wprowadza nowe przepisy
W prototypowej wersji ogniwo słoneczne ma jeden centymetr kwadratowy i wytwarza napięcie w obwodzie otwartym na poziomie 2,19 elektronowoltów, co jest rekordem dla całkowicie perowskitowych tandemowych ogniw słonecznych. Sprawność konwersji mocy wyniosła natomiast 27,4%, co jest wynikiem wyższym niż obecny rekord. W czasie niezależnej certyfikacji przeprowadzonej w National Renewable Energy Laboratory sprawność zmierzono na poziomie 26,3%. Co więcej, nowe ogniwo utrzymało 86% swojej początkowej wydajności po 500 godzinach ciągłej pracy.