Siekiant efektyvesnių ir pigesnių energijos sprendimų, visiškai neorganinių perovskitinių saulės elementų technologija laikoma viena perspektyviausių, tačiau iki šiol jos silpnoji vieta – stabilumas. KTU mokslininkai, bendradarbiaudami su tarptautiniais partneriais, pasiekė proveržį – jų išradimas leidžia elementams veikti kelis šimtus valandų aukštoje temperatūroje, pasiekiant vieną geriausių rezultatų tarp tokio tipo prietaisų.
Siekiant efektyvesnių ir pigesnių energijos sprendimų, visiškai neorganinių perovskitinių saulės elementų technologija laikoma viena perspektyviausių, tačiau iki šiol jos silpnoji vieta – stabilumas. Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai, bendradarbiaudami su tarptautiniais partneriais, pasiekė proveržį – jų išradimas leidžia elementams veikti kelis šimtus valandų aukštoje temperatūroje, pasiekiant vieną geriausių rezultatų tarp tokio tipo prietaisų, o efektyvumas prilygsta silicio saulės elementams. Tokie pasiekimai žymi svarbų žingsnį link naujos kartos saulės technologijų komercializacijos.
Atsinaujinančios energijos paieškos visame pasaulyje tampa vis svarbesnės kovojant su klimato kaita ir mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro. Saulės energija šioje srityje užima ypatingą vietą, todėl ieškoma naujų, lengvų technologinių sprendimų, pavyzdžiui, lanksčių įrenginių gamybos.
„Perovskitų saulės elementai yra viena sparčiausiai besivystančių saulės technologijų pasaulyje. Jie yra plonasluoksniai, todėl gali būti lankstūs, o svarbiausia – gaminami iš nebrangių medžiagų“, – sako KTU Chemijos fakulteto mokslininkas dr. Kasparas Rakštys.
Vis dėlto šių elementų plėtrą riboja pagrindinė problema – gan greita perovskito degradacija – efektyvumo ir medžiagos savybių blogėjimas, kintant atmosferos sąlygoms: drėgmei, temperatūrai ar slėgiui.
Pavyko tai, kas atrodė neįmanoma
Norint, kad perovskitų technologija taptų komerciškai patikima, būtina užtikrinti jos ilgaamžiškumą. Vienas svarbiausių metodų, leidžiančių sumažinti defektus ir apsaugoti paviršių nuo išorinių veiksnių, yra pasyvavimas. Tai – procesas, kurio metu perovskito paviršius tampa atsparesnis, todėl prailgėja prietaiso veikimas. „Pasyvuojant perovskito paviršius tampa chemiškai neaktyviu, taip pašalinant gamybos metu atsiradusius perovskitų defektus“, – teigia KTU mokslininkas.
Įprastuose hibridiniuose perovskituose ši strategija veikia itin gerai – plonas 2D sluoksnis ant 3D perovskito paviršiaus ne tik apsaugo medžiagą nuo drėgmės, bet ir pagerina efektyvumą bei ilgaamžiškumą. Tačiau su visiškai neorganiniais perovskitais, kurie susiduria su panašiais paviršiaus defektais ir fazės nestabilumu, tai iki šiol nebuvo pritaikyta, nes tradiciniai 2D amonio katijonai, kurie patikimai sudaro 2D sluoksnius hibridinėse sistemose, beveik nereaguoja su neorganiniu perovskitu dėl standžios neorganinės gardelės ir stiprios jonų sąveikos su švino jodido fragmentais, slopinant būtinus katijonų mainus 2D sluoksnio formavimuisi.
„Paprastai tariant, 2D sluoksniai neprilimpa prie neorganinio 3D perovskito, todėl paviršius lieka nepasyvuotas“, – aiškina K. Rakštys.
Bendradarbiaudami su tarptautiniais partneriais, KTU mokslininkai ėmėsi šio iššūkio. Sprendimas rastas KTU laboratorijoje susintetinus perfluorintus 2D amonio katijonus. Fluoro atomai, būdami stipriai elektroneigiami, pritraukia elektronus bei sumažina amonio grupės elektronų tankį, taip susidarydami vandenilinius ryšius tarp amonio inkarinės grupės ir švino jodido fragmentų.
„Rezultatas – ant neorganinio perovskito paviršiaus susidarė stabilus 2D sluoksnis. Šį kartą 2D sluoksniai pagaliau prilipo, sudarydami tvirtas heterostruktūras, kurios išlieka stabilios net labai aukštoje temperatūroje“, – pabrėžia K. Rakštys.
Šis pasiekimas ypač svarbus fundamentiniu lygmeniu. Iki šiol manyta, kad visiškai neorganiniuose perovskituose tokia struktūra sunkiai įmanoma. Tai, kad pavyko sukurti stabilias 2D/3D heterostruktūras, atveria naujas galimybes medžiagų chemijoje ir suteikia daugiau įrankių mokslininkams, ieškantiems patikimesnių saulės technologijų.
Tarptautinis pripažinimas – publikacija prestižiniame mokslo žurnale „Nature Energy“
Integravus šią pasyvavimo strategiją konstruojant saulės elementus, jie pasiekė vieną aukščiausių 21,6 proc. efektyvumą, o konstruojant perovskitų saulės mini modulius, kurių aktyvus plotas daugiau nei 300 kartų didesnis nei standartinių laboratorinėmis sąlygomis testuojamų perovskitų saulės elementų, šie mini moduliai pasiekė 19,8 proc. efektyvumą. Dar įspūdingesnis pasiekimas – stabilus veikimas daugiau nei 950 valandų esant 85 laipsnių Celsijaus temperatūrai bei nuolatiniam apšvietimui.
KTU eksperto teigimu, tai – vienas geriausių rezultatų užfiksuotų visiškai neorganinių perovskitų pagrindu veikiantiems prietaisams. „Nors saulės elementai realiomis veikimo sąlygomis tiek neįkaista, tokie standartizuoti stabilumo testai atliekami siekiant įvertinti jų ilgalaikį atsparumą, o toks aukštas stabilumas praktiškai atitinka komerciniams silicio elementams keliamus reikalavimus“, – papildo jis.
Šis tyrimas atliktas daugiau nei 20 mokslininkų tarptautinėje komandoje ir publikuotas viename prestižiškiausių mokslo žurnalų „Nature Energy“. Tai – ne tik technologinis proveržis, bet ir didelis Lietuvos mokslininkų darbo pripažinimas. Pasak dr. K. Rakščio, tokie pasiekimai rodo, kad naujos kartos saulės technologijos artėja prie realios komercializacijos.
Be technologinės naudos, ši sritis atveria plačias galimybes jauniesiems mokslininkams. Naujus katijonus, kurie tapo tyrimo pagrindu, savo baigiamojo darbo metu susintetino KTU magistrantė Raminta Skačkauskaitė. Tai rodo, kad mokslinėje grupėje į aukščiausio lygio mokslo projektus aktyviai įtraukiami ir jauniausi tyrėjai, o jų indėlis tampa neatsiejama proveržio dalimi.
Straipsnį „Cation interdiffusion control for 2D/3D heterostructure formation and stabilization in inorganic perovskite solar modules“, kuris publikuotas „Nature Energy“ žurnale.
