Padol ďalší rekord: Kremíkovo-perovskitová fotovoltika dosiahla účinnosť 34%

Kremíkové solárne panely už narážajú na fyzické limity účinnosti, takže najlepšou šancou na jej ďalšie zvýšenie je lepšie využitie spektra slnečného žiarenia. To umožní kombinácia kremíka s perovskitom.

Kryštály perovskitu je možné navrstviť na kremík, čím sa vytvorí panel s dvoma materiálmi, ktoré absorbujú rôzne oblasti spektra. Navyše perovskity môžu byť vyrobené z relatívne lacných surovín. Žiaľ, doteraz bolo ťažké vyrobiť perovskity, ktoré by boli vysoko účinné a zároveň dosiahli životnosť desiatok rokov ako kremík. Vývojári však intenzívne pracujú na zlepšení technológií a najnovší pokrok priniesol články perovskit/kremík s účinnosťou konverzie až 34 percent.

Perovskit je minerál zložený z titaničitanu vápenatého (chemický vzorec CaTiO₃) a tvorí kryštálovú štruktúru na báze pseudohexaedrov alebo pseudooktaedrov. Môže ísť však aj o minerály zložené z iných prvkov, ktoré tvoria rovnakú kryštalickú štruktúru. Fotovoltaika na báze perovskitu sa zvyčajne vytvára spracovaním v roztoku, pričom sa všetky suroviny rozpustia v kvapaline, ktorá sa potom navrství na budúci panel. To umožní vytvorenie kryštálov perovskitu na celom jeho povrchu. Nevýhodou je, že tento proces má tendenciu vytvárať kryštály s rôznymi orientáciami na jednom povrchu, čím sa znižuje výkon.

Ďalšou nevýhodou je nižšia stabilita a tým aj životnosť perovskitov. Zvyčajne sú vyrobené z kombinácie kladne a záporne nabitých iónov a aby vytvorili perovskit, musia byť v správnom pomere. Niektoré z týchto jednotlivých iónov však časom difundujú, čo naruší kryštálovú štruktúru. Pri solárnych článkoch materiál absorbuje veľa energie, ktorá ho ohrieva a rýchlosť difúzie rastie.

Kryštál perovskitu

Samotný kremík má však teoretickú hranicu účinnosti konverzie svetla na elektrinu asi 27 %, takže v súčasnosti sa už kremíková fotovoltika blíži k hranici maximálnej efektivity. Tandemové články s perovskitom by mohli túto hranicu posunúť až o štvrtinu.

Magazín ARS Technica informoval o dvoch vedeckých výskumoch, ktoré sa snažia riešiť problémy perovskitovej fotovoltiky. V prvom výskume vedci zo Saudskej Arábie a Turecka pomocou techniky nazývanej teória funkčnej hustoty vytvorili molekulu zvanú tetrahydrotriazínium, ktorá má šesťatómový kruh zložený zo striedajúcich sa atómov uhlíka a dusíka.

Tetrahydrotriazínium má neutrálny náboj, keď iba dva z dusíkov majú naviazané vodíky. Zachytáva však nabitý vodík (protón) z roztoku a dáva mu čistý kladný náboj. To ponecháva každý z jeho troch dusíkov spojený s vodíkom a umožňuje, aby sa medzi nich rozložil kladný náboj. To robí túto interakciu neuveriteľne silnou, čo tiež stabilizuje kryštálovú štruktúru a malo by urobiť perovskity oveľa stabilnejšími.

Lenže tetrahydrotriazínium reaguje s množstvom iných chemikálií, takže nie je príliš vhodné ako surovina pre roztok tvoriaci perovskit. Vedci však vytvorili tetrahydrotriazínium priamo v roztoku na tvorbu perovskitu, aby sa okamžite začlenilo do perovskitového kryštálu a nemalo šancu reagovať s ničím iným.  

Po navrstvení na kremík dosiahol článok účinnosť 33 až 34 percent, čo je momentálny rekord. Výskumníci majú niekoľko nápadov, ktoré by mali účinnosť zvýšiť až na 35%.

Kryštály boli na svetle primerane stabilné, ale kombinácia svetla a tepla spôsobila výraznejší pokles výkonu. Vedci tvrdia, že zariadenia si udržia vyše 90% počiatočného výkonu „až 1 000 hodín“. Degradácia až 10 % za 6 týždňov však robí komerčné nasadenie takýchto článkov nepriechodným.

Druhý výskum sa zameral na vylepšenie kryštalického procesu pri tvorbe perovskitu. Na kontrolu tohto procesu sa výskumníci zamerali na použitie „anti-rozpúšťadla“, ktoré znižuje rozpustnosť iných chemikálií v roztoku. Použili dlhý uhľovodíkový reťazec spojený s iónom amónia a atómom brómu, pričom oba sú typicky zložkami perovskitov. Pridanie do roztoku by mohlo kontrolovať tvorbu kryštálov perovskitu so širokou škálou zložení. Výsledkom bol robustnejší kryštál s menším počtom defektov, ktoré ovplyvňujú výkon a stabilitu.

V tandeme s kremíkovou vrstvou dosiahli tieto články účinnosť v 30 až 33%. Aj v tomto prípade je však problémom odolnosť pri zvýšených teplotách. Pri izbovej teplote mal síce materiál viac ako 98 percent svojej pôvodnej účinnosti po 100 dňoch, ale pri praktickom nasadení môžeme na izbové teploty zabudnúť a degradácia bude podstatne rýchlejšia.

Riešenie fototermálnej stability perovskitovo – kremíkových tandemových solárnych článkov je mnohostranná výzva, ktorá si vyžaduje riešenie viacerých komplikácií v oblasti rozhraní, kontaktov, elektród a zapuzdrení. Na komerčne životaschopné články tohto typu si teda ešte musíme počkať.