Miej własną politykę.

Pierwszy miesiąc prenumeraty tylko 11,90 zł!

Subskrybuj
Nauka

Świat perowskitów

Dr Konrad Wojciechowski Dr Konrad Wojciechowski materiały prasowe
Stworzenie stabilnych i trwałych ogniw fotowoltaicznych, którymi będzie można zastąpić ogniwa krzemowe – nad tym właśnie pracuje dr Konrad Wojciechowski z Fundacji Saule Research Institute, laureat finansowanego z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój programu FIRST TEAM, który realizuje Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.
materiały prasowe
materiały prasowe

Na czym polega problem z perowskitami? Dlaczego jeszcze nie widzimy na dachach perowskitowych paneli fotowoltaicznych?
Jednym z największych wyzwań technologicznych jest stabilność tego typu ogniw. Materiały perowskitowe są stosunkowo wrażliwe na warunki środowiskowe. Szczególnie wysoka wilgotność sprawia, że podlegają szybkiej degradacji. My dążymy do opracowania rozwiązań, które zwiększyłyby ich żywotność. Między innymi dzięki modyfikacji składu materiału i dopracowaniu konstrukcji samych ogniw chcemy zwiększyć czas życia perowskitowych ogniw słonecznych do około 20 lat.

W jaki sposób zaczął pan zajmować się takimi materiałami?
Zajmowałem się tą technologią, w czasie gdy robiłem doktorat na uniwersytecie w Oksfordzie. Po doktoracie dołączyłem do firmy Saule Technologies, gdzie jako dyrektor naukowy byłem odpowiedzialny za rozwijanie technologii perowskitowych, przede wszystkim mając na uwadze cele biznesowe, czyli to, w jaki sposób przeskalować technologię, a następnie dostarczyć produkt.

W pewnym momencie zdecydowaliśmy o powołaniu do życia Fundacji Saule Research Institute, która miała skupić się na kwestiach związanych bezpośrednio z badaniem naukowych podstaw tej technologii. Chodziło o postawienie nieco innych pytań niż te, które stawia się, realizując wyłącznie cele biznesowe. Chcieliśmy skupić się na długoterminowym rozwoju. To właśnie w ramach Saule Research Institute przez trzy i pół roku realizowaliśmy projekt, który był finansowany z Funduszy Europejskich przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Jakie były jego cele?
Za cel postawiliśmy sobie zdiagnozowanie największych problemów naukowych związanych z ogniwami perowskitowymi. Chcieliśmy zbadać zjawiska i procesy fotofizyczne, które w takich ogniwach zachodzą. Przede wszystkim naszym celem jest wydłużenie niezawodności takich ogniw i przybliżenie momentu ich pełnej komercjalizacji. Żeby być w stanie to osiągnąć, pierwszym krokiem są kwestie poznawcze. Z tego powodu musimy zidentyfikować obszary, które są wąskimi gardłami, wrażliwymi punktami, które powodują szereg problemów związanych z tego typu ogniwami.

W ramach projektu kompleksowo badaliśmy więc różne komponenty ogniw perowskitowych. To jest zresztą obszar badań, który w ostatnich latach rozwoju tej technologii przyniósł bardzo dużo ciekawych wyników. Wiemy na przykład, że przez dodawanie różnego rodzaju związków i modyfikowanie kompozycji materiału można zwiększać jego strukturalną stabilność. Badaliśmy więc różne kompozycje, sprawdzaliśmy, w jaki sposób tego typu zmiany wpływają na strukturę i na stabilność ogniw.

Co jeszcze może wpływać na to, jak długo ogniwo perowskitowe wytrzyma?
Analizowaliśmy to, jak na jego stabilność wpływa sposób wytwarzania materiału. Bo oprócz tego, że mamy jakiś zbiór kationów i anionów, który tworzy strukturę perowskitową, wpływ na stabilność ma też to, w jaki sposób ten materiał wykrystalizuje. Jeżeli będziemy mieli lepszej jakości kryształy, które mają mniej defektów, bo wykrystalizowały w lepszy, wolniejszy, albo może dokładniejszy sposób, w lepszych warunkach, kryształy o mniejszej ilości defektów i mniejszymi naprężeniami w sieci krystalicznej, to też będzie miało wpływ na ich stabilność.

Korzystając z naszego know-how, wypracowanego zarówno w Fundacji Saule Research Institute, jak i w firmie Saule Technologies, zastosowaliśmy między innymi technikę druku inkjet. To dziedzina, w której mieliśmy już wcześniej kilka publikacji w periodykach naukowych.

Sam materiał to jednak jeszcze nie wszystko, prawda?
Drugą bardzo istotną kwestią jest optymalizacja architektury i struktury całego urządzenia, czyli gotowego panelu. Tu także mamy już na koncie kilka publikacji, ale to wielopłaszczyznowy problem.

Oprócz samego materiału perowskitowego urządzenie fotowoltaiczne składa się z kilku warstw. Materiał perowskitowy jest warstwą fotoaktywną, czyli absorbuje promieniowanie słoneczne i generuje nośniki ładunków: elektrony i dziury elektronowe. Żeby urządzenie działało, te nośniki ładunków muszą być zebrane w sposób efektywny. Musimy więc zastosować odpowiednie materiały i odpowiednie warstwy, które będą je selektywnie zbierać.

Kiedy naniesiemy jakiś materiał na powierzchnię perowskitu, to tworzy się tak zwany interfejs. Jakie procesy fotofizyczne zachodzą na tym interfejsie, jak taka dodatkowa warstwa wpływa na materiał perowskitowy? Czy tworzą się tam jakieś stany, które mogą prowadzić do niepożądanych procesów powodujących straty energii? Ten obszar jest jednym z najbardziej intensywnie badanych aspektów technologii perowskitowych ogniw słonecznych. A jest tak, ponieważ to właśnie na styku różnych warstw najwięcej się dzieje.

Z naszej strony dołożyliśmy cegiełkę, diagnozując kilka problemów fizycznych. Pokazaliśmy, że istnieje możliwość dobrania lepszych, bardziej efektywnych materiałów. Udało nam się też wskazać, w jaki sposób zmodyfikować obszar, gdzie stykają się dwa różnego rodzaju materiały. Gdy zostaną dobrane umiejętnie, prowadzi to do redukcji straty i poprawia stabilność urządzeń. Właśnie ukazała się przygotowana przez nas kompleksowa publikacja na ten temat, w której pokazujemy zarówno wpływ na sprawność tych urządzeń, jak i również na ich długoterminową stabilność.

Potem trzeba jeszcze to wszystko przetestować.
Trzeci obszar, którym zajmowaliśmy się w ramach projektu, to były właśnie testy niezawodności. Kiedy mamy gotowe urządzenie, trzeba je poddać odpowiednim testom stabilnościowym. Skupiliśmy się na testach prowadzonych w warunkach aplikacyjnych, czyli zbliżonych w jak największym stopniu do tych, jakie urządzenie napotka podczas realnej pracy. To pozwala oszacować, czy dane urządzenie będzie stabilne przez pięć, dziesięć czy piętnaście lat. Używa się w tym celu pewnego rodzaju standardowych testów, tak zwanych przyspieszonych testów starzeniowych. Następnie na ich podstawie można oszacować długoterminowy czas działania panelu.

Żeby takie testy przeprowadzić, trzeba urządzenie odpowiednio przygotować, czyli zabezpieczyć przed warunkami zewnętrznymi, między innymi by działało stabilnie podczas upałów czy ulew. W tym obszarze również badaliśmy, jakie materiały oraz jakie procesy mechaniczne i fotofizyczne mogą zachodzić po enkapsulacji urządzenia. Z tego co mi wiadomo, jest to pierwsza demonstracja elastycznych perowskitowych ogniw słonecznych, które przeszły pomyślnie przyspieszone testy starzeniowe.

Jak przebiega taki test?
Najbardziej znany, tak zwany „damp heat” test, polega na tym, że urządzenie umieszcza się w komorze klimatycznej, w której jest 85 st. C i 85 proc. wilgoci. Tysiąc godzin pracy w takich warunkach to cel minimum, który ogniwa krzemowe muszą przejść, jako część procesu certyfikacji. To jednak standardowy test dla modułów opartych na technologii krzemowej. My natomiast, dla nowszej technologii perowskitowej, stosujemy ten test, by móc odnieść nasze wyniki do już istniejących technologii krzemowych, implementując te same testy i te same normy.

Nasze ogniwo było pierwszym elastycznym ogniwem perowskitowym, któremu udało się przejść taki test. To pierwszy taki wynik na świecie. W przypadku ogniw perowskitowych publikowano już podobne wyniki, ale wszystkie dotyczyły konwencjonalnych ogniw na szkle, nie ogniw elastycznych, jak to było w naszym przypadku.

Dlaczego te testy są takie ważne?
Jednym z największych technologicznych wyzwań na drodze do masowej komercjalizacji perowskitowej fotowoltaiki jest to, że takie ogniwa podatne są na szybką degradację. Zależy nam na wyeliminowaniu niepożądanych reakcji w taki sposób, żeby zwiększyć czas życia naszych ogniw i aby mogły skutecznie konkurować z tradycyjnymi technologiami.

Postępujące zmiany klimatyczne i szybko rosnące zapotrzebowanie ludzkości na energię sprawiają, że dywersyfikacja jej źródeł oraz zwiększanie mocy wytwórczych czystych, odnawialnych źródeł takich, jak fotowoltaika, są kluczowe dla naszej przyszłości.

***

Więcej o najnowszych wynikach badań z polskich laboratoriów w publikacji pt. „Nauka w czasach przemian. Jak badania finansowane z Funduszy Europejskich pomagają chronić nas przed globalnymi zagrożeniami i wykorzystywać historyczne szanse”: www.fnp.org.pl.

***

Blisko 23 proc. – o tyle rok do roku wzrasta globalna produkcja czystej energii słonecznej. Dzisiejsze panele fotowoltaiczne opierają się na krzemie, dokładnie tak samo, jak pierwsze ogniwa opracowane jeszcze w latach 50. XX w. Naukowcy pracują jednak nad nową generacją ogniw, w których kryształy krzemu zastąpione są przez m.in. perowskity. To grupa materiałów o specyficznej strukturze krystalicznej. Metalo-halogenkowe perowskity wykazują bardzo atrakcyjne właściwości optoelektroniczne, pozwalające na tworzenie potencjalnie tańszych i bardziej efektywnych ogniw fotowoltaicznych, niż te obecnie wykorzystywane. Polscy badacze są w światowej czołówce prac nad tą technologią, a opracowane przez nich perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne, jako pierwsze przeszły ważny test.

***

Dr Konrad Wojciechowski z Fundacji Saule Research Institute jest chemikiem i fizykiem. Pracuje nad stworzeniem stabilnych i trwałych ogniw fotowoltaicznych, którymi będzie można zastąpić ogniwa krzemowe.

***

Program FIRST TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.

.materiały prasowe.

Polityka 1/2.2023 (3396) z dnia 27.12.2022; Fundusze europejskie dla nauki w Polsce; s. 98
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Rynek

Jak pokroić morze? Przybywa chętnych na kawałek Bałtyku. A rybakom wiatr w oczy

To tylko złudzenie, że na Bałtyku jest bezmiar przestrzeni. Jest coraz ciaśniej i coraz więcej chętnych, którzy chcą wyrwać kawałek morza dla siebie.

Ryszarda Socha
24.01.2023
Reklama