Perovskitele sunt materiale cu proprietăți optoelectronice avantajoase care ar putea fi utilizate pentru a dezvolta sisteme fotovoltaice (PV) mai accesibile. Deși în ultimii ani inginerii au reușit să îmbunătățească semnificativ randamentele de conversie a luminii solare ale celulelor solare perovskite, aceste dispozitive sunt mai puțin stabile și scalabile decât celulele solare convenționale pe bază de siliciu.
Cercetătorii de la Universitatea din Cambridge, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH și Diamond Light Source au utilizat microscopia optică și cu raze X pentru a înțelege mai bine procesele la scară nanometrică care influențează performanța și degradarea celulelor solare pe bază de perovskite halogenate.
Lucrarea lor, publicată în Nature Energy, demonstrează că variațiile la scară microscopică ale compoziției, recombinării și transportului de sarcină pot avea un impact asupra performanței și stabilității acestor celule solare, conturând în același timp abordări care ar putea atenua aceste efecte. „Lucrările noastre recente s-au concentrat pe celulele solare cu perovskite halogenate pentru aplicații în celulele fotovoltaice de ultimă generație – aceste materiale sunt foarte dezordonate la scări de lungime microscopice”, a declarat Samuel D. Stranks, autorul principal al lucrării. „În lucrările noastre anterioare, am arătat că variațiile microscopice în structura atomică și compoziția chimică pot avea un impact asupra proprietăților materiale ale foliilor subțiri de perovskită”.
Celulele solare realizate integral din perovskite conțin mai mult decât o simplă peliculă de perovskită, deoarece conțin și straturi de materiale care extrag și transportă electroni și goluri. Aceste straturi suplimentare adaugă complexitate celulelor solare, deoarece ar putea contribui, de asemenea, la pierderi de curent și tensiune, afectând astfel negativ performanța generală a unei celule. „Am dorit să ne extindem expertiza anterioară prin dezvoltarea unui set de instrumente de microscopie multimodală pentru a sonda pierderile de tensiune și curent, interacțiunile acestora cu variațiile structurale și chimice, în celule solare perovskite complete, de ultimă generație”, a declarat Miguel Anaya, un alt autor principal al lucrării. „Obiectivul nostru a fost să înțelegem această interacțiune microscopică pentru a spori performanța și durabilitatea pe termen lung a acestor dispozitive”.
„Pe partea optică, am efectuat microscopie hiperspectrală de luminescență, care urmărește culoarea și intensitatea luminii emise de perovskită atunci când o sursă de lumină (de exemplu, un laser) iluminează materialul”, a explicat Frohna. „Urmărirea atentă a fluorescenței emise ne permite să urmărim pierderile microscopice de tensiune în celula solară. În plus, efectuăm microscopie de luminescență dependentă de tensiune – ceea ce ne permite să urmărim transportul local de sarcină și pierderile de curent.” Pe de altă parte, principala tehnică de microscopie cu raze X utilizată de Stranks și colegii săi este cunoscută sub numele de nanofluorescență cu raze X. Aceasta este o metodă de imagistică care permite cercetătorilor să colecteze mai multe informații despre compoziția chimică a unui material. Echipa a utilizat setul său cuprinzător de instrumente de microscopie pentru a studia o gamă largă de celule solare perovskite. Acest lucru le-a permis să înțeleagă mai bine modul în care pierderile de curent și tensiune ale acestor celule sunt influențate de modificările chimice și modul în care parametrii asupra cărora s-au concentrat s-au modificat după ce celulele au funcționat pentru perioade lungi de timp.
„Am arătat că celulele fotovoltaice perovskite pot tolera variații chimice microscopice substanțiale, ceea ce este ceva foarte diferit de celulele solare convenționale precum siliciul”, a declarat Chosy. „Am arătat, de asemenea, că acestea nu pot tolera variații în extracția de sarcină. Cu cât curentul este mai dezordonat din punct de vedere microscopic, cu atât celula solară are performanțe mai slabe – și chiar mai surprinzător, această dezordine are ca rezultat și degradarea celulelor solare mult mai rapidă în timp.”
Pe lângă evidențierea factorilor care influențează performanța și stabilitatea celulelor solare pe bază de perovskită la scară nanometrică, cercetătorii au prezentat abordări care ar putea contribui la reducerea pierderilor de curent pe care le-au observat. În cadrul următoarelor lor studii, Stranks și colegii săi intenționează să continue să construiască pe baza setului lor de instrumente, încercând, de asemenea, să îl utilizeze pentru a îmbunătăți performanța pe termen lung a PV-urilor perovskite.
„Celulele solare se confruntă cu o gamă largă de condiții – de la temperaturi extrem de ridicate la temperaturi extrem de scăzute, condiții de polarizare directă și inversă, lumină solară intensă și slabă – modul în care celulele solare perovskite fac față tuturor acestor condiții afectează durata lor de viață”, a adăugat Stranks. „Dorim să înțelegem modul în care aceste tensiuni afectează celulele solare perovskite de la nivel atomic la nivel de modul și să folosim această înțelegere pentru a le îmbunătăți viabilitatea în vederea comercializării.”
