Perowskity
W październiku 2018 r. badaczki z Uniwersytetu w Amsterdamie znalazły, jak twierdzą, rozstrzygające dowody na to, że perowskity są w stanie podnieść teoretyczny limit wydajności jednej warstwy ogniwa fotowoltaicznego z 33 do 44%. To daleko poza możliwościami zwykłych krzemowych paneli, co jeszcze bardziej winduje i tak już wielkie nadzieje związane z perowskitami.
Produktów opartych na cudownym minerale jeszcze na rynku właściwie nie ma. Jedną z głównych korzyści wynikających ze stosowania perowskitów, byłaby ich atrakcyjna cena, ze względu na łatwiejszy - niż chociażby w przypadku paneli krzemowych - proces wytwarzania. Często sugeruje się, że produkty perowskitowe mogą stać się od nich bardziej wydajne. Teraz teoretyczne dowody na ową wyższą wydajność dostarczyły dr Chris de Weerd i dr Leyre Gomez z amsterdamskiej uczelni. Jak piszą w wydanym komunikacie, zostały one "uzyskane przy użyciu trzech niezależnych eksperymentalnych metod - i są rozstrzygające".
Obecnie większość komercyjnych ogniw słonecznych wytwarza się z krystalicznego krzemu (1), który ma sprawność konwersji energii słonecznej na elektryczną na poziomie ok. 22%. Chociaż krzem jest łatwo dostępny, to jego przetwarzanie i produkcja z niego paneli fotowoltaicznych pozostają wciąż skomplikowane, co zwiększa koszty, czyniąc końcowy towar stosunkowo drogim.
Limit Gomez-Weerd?
Główny wniosek płynący z badań dwójki naukowców z Holandii jest taki, że granica teoretycznej sprawności Shockleya-Queissera, wynosząca ok. 33% dla pojedynczej warstwy krzemowych ogniw słonecznych, może zostać zastąpiona czymś, co dałoby się nazwać limitem Gomez-Weerd, wynoszącym 44% dla pojedynczej warstwy perowskitowych ogniw słonecznych. Z punktu widzenia zastosowania oznacza to, że dokładnie ten sam zestaw słoneczny z nowymi ogniwami może potencjalnie wygenerować o jedną trzecią więcej energii elektrycznej.
Praca Holendrów opiera się na efekcie zwanym "multiplikacją nośników". Fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej są absorbowane przez elektrony walencyjne, w wyniku czego następuje ich wzbudzenie i przejście z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Każdy zaabsorbowany foton w tradycyjnych ogniwach generuje praktycznie tylko jedną parę nośników ładunku - elektron i dziurę. Jeśli światło ma wystarczającą energię, to można wzbudzić kolejne pary elektron-dziura, co prowadzi do zwielokrotnienia nośników.
Naukowcy zaobserwowali, że dzieje się to bez zwiększania energii w nanokryształach perowskitu wykonanych z cezu, ołowiu i jodu. Twierdzą, że efekt multiplikacji w nanokryształach jest wyższy niż w jakimkolwiek innym materiale dotychczas badanym. Dotychczas, ponieważ atomy materiału ogniwa "udostępniały" tylko jeden elektron walencyjny, nadmiar energii fotonów w panelu słonecznym był zaś rozpraszany w postaci ciepła.
Jednak w materiale takim jak perowskity energia tego samego fotonu może wzbudzić dodatkowy elektron walencyjny. W praktyce oznacza to więcej energii elektrycznej z tego samej porcji światła słonecznego.
Brzmi to niezwykle obiecująco, choć aby na wielką skalę wejść z perowskitami do branży fotowoltaicznej, trzeba sobie jeszcze z wieloma problemami poradzić. Efektywne technologie solarne muszą spełniać trzy warunki, nazywane "złotym trójkątem"komercjalizacji:
- ich wydajność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną musi być wysoka (perowskity zasadniczo to osiągnęły),
- muszą być tanie w produkcji (tu też perspektywy nie są najgorsze),
- muszą mieć odpowiednio długą żywotność - z tym jest dużo gorzej.
Większa część naszego raportu opisuje prace nad zwiększeniem ich trwałości, obniżeniem kosztów wytwarzania i oczywiście nad zwiększeniem sprawności ogniw z tym przyszłościowym materiałem.
Niedoścignione w pochłanianiu energii słonecznej
Perowskity to naturalnie występujące minerały (2), odkryte w 1838 r. w górach Ural, przez Gustawa Rose’a. Nadał on im taką nazwę, aby uczcić pamięć rosyjskiego mineraloga Lwa Perowskiego. Pierwszym znanym perowskitem był tytanian(IV) wapnia CaTiO3.
Zgodnie z definicją chodzi o grupę minerałów zbudowanych z nieorganicznych związków chemicznych o ogólnym wzorze ABX3 (3), gdzie A - to zwykle kation metalu z grupy litowców lub berylowców (rzadziej któregoś z metali przejściowych), B - kation o liczbie koordynacyjnej równej 6 (najczęściej tytan, niob, tantal, mangan), zaś X - zazwyczaj anion tlenkowy O2 - rzadziej halogenkowy lub siarczkowy.
Perowskity da się także wytworzyć w warunkach laboratoryjnych. Szybko się okazało, że możliwe jest kształtowanie w kontrolowany sposób ich właściwości fizykochemicznych - poprzez zastępowanie jonów tlenkowych, wapnia i tytanu innymi jonami.
Główne cechy perowskitów? Są doskonałymi absorbentami światła. Znacznie lepszymi od najbardziej popularnego w fotowoltaice krzemu, a nawet od uznawanego dawniej za czempiona pod tym względem - arsenku galu.
Perowskit pochłania widzialne światło słoneczne o długości fali od 300 do 800 nm, w sposób umożliwiający produkcję energii elektrycznej. W efekcie jest w stanie pochłaniać światło nawet uformowany w ultracienkie warstwy. Dzięki temu przynajmniej trzykrotnie zmniejsza się zużycie materiału koniecznego do wyprodukowania solarnego ogniwa. To właśnie tego typu modyfikowane błony perowskitowe są prawdziwą alternatywą dla krzemu.
Ogniwa perowskitowe w przeciwieństwie do krzemowych mogą być elastyczne, częściowo transparentne i bardzo lekkie. Można dostosować ich kształt, kolor i wymiary do konkretnego zapotrzebowania - moduły perowskitowe da się więc zainstalować na każdej dostępnej powierzchni budynku.
Materiał ten został po raz pierwszy wykorzystany do produkcji ogniw słonecznych już w 2009 r., przez zespół badawczy prof. Tsutomu Miyasakiego z Uniwersytetu Toin w Jokohamie, w Japonii. Od tego czasu nastąpił szybki postęp - w ciągu zaledwie dziewięciu lat wydajność tych ogniw wzrosła z 3,8 do 23,3%. Często zwraca się uwagę, że inne technologie potrzebowały ponad trzydziestu lat badań, aby osiągnąć ten sam poziom.
Istnieją też niestety bariery rozwojowe, których wciąż nie udało się pokonać. Największym problemem, o jakim mówią naukowcy, jest niska stabilność. Szybka degradacja minerałów (pod wpływem wilgoci) pozostaje główną przeszkodą na drodze popularyzacji i komercjalizacji perowskitów.
Drugą wielką wadą jest fakt, że w ich składzie obecny jest ołów, czyli pierwiastek niebezpieczny dla zdrowia ludzi i zwierząt. W związku z tym naukowcy pracują nad rozwiązaniami, które pozwolą zastąpić ołów cyną i tym samym zmniejszyć toksyczność, a przy okazji także koszty produkcji.
Doktor Malinkiewicz rządzi
Najczęściej badanym w ogniwach słonecznych perowskitem jest trihalogenek ołowiowo-metyloamoniowy - CH3NH3PbX3, gdzie X jest atomem halogenowym, takim jak jod, brom lub chlor (4), z pasmem optycznym pomiędzy 1,5 a 2,3 eV, w zależności od zawartości halogenków. Obiecujący okazał się również formamidynowy trihalogenek ołowiu (H2NCHNH2PbX3), z przerwami między 1,5 a 2,2 eV. Niestety, zastąpienie ołowiu cyną w perowskicie o wzorze chemicznym CH3NH3SnI3 doprowadziło do obniżenia sprawności konwersji ogniw.
W innych badaniach sprawdzane są parametry ogniw fotowoltaicznych opartych na perowskitach tlenków metali przejściowych i ich heterostrukturach, takich jak LaVO3/SrTiO3. W celu przezwyciężenia problemów związanych z niestabilnością organicznych materiałów perowskitowych na bazie ołowiu w powietrzu atmosferycznym oraz ogólnego dążenia do rezygnacji ze szkodliwego ołowiu bada się również pochodne perowskitu, takie jak podwójny perowskit Cs3SnI6.
Sam proces budowy ogniw na bazie perowskitów początkowo okazał się długotrwały, trudny i drogi. Przełomem w dziedzinie produkowania ogniw okazały się studia polskiej fizyk Olgi Malinkiewicz (5), absolwentki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Politechniki Katalońskiej w Barcelonie. W 2014 r. wraz z Piotrem Krychem i Arturem Kupczunasem założyła ona firmę Saule Technologies.
Dr Malinkiewicz opracowała niskotemperaturową technologię produkcji elastycznych i wodoodpornych ogniw fotowoltaicznych z wykorzystaniem perowskitów, która pozwala m.in. na zmniejszenie grubości ogniwa do 200-300 nm, przy jednoczesnym zachowaniu właściwości prądotwórczych.
W 2016 r. podczas International Conference on Perovskite Thin Film Photovoltaics firma Olgi Malinkiewicz zaprezentowała pierwszy na świecie prototyp urządzenia zasilającego smartfony, zbudowanego na bazie perowskitów. Skonstruowana ładowarka to w rzeczywistości kawałek elastycznej foli z wychodzącymi kabelkami (6).
Niezwykle obiecująca jest możliwość pokrycia ogniwami produkcji Saule materiałów i powierzchni, które do tej pory z różnych powodów w ogóle się do tego nie nadawały. Dotyczy to tkanin, folii czy nawet papieru, jak również powierzchni dachów lub ścian zewnętrznych domów, wręcz całych fasad, łącznie z oknami, co nie było dotąd możliwe ze względu na masę i koszt ogniw krzemowych wykonywanych według poprzedniej technologii.
Niewykluczone, że w przyszłości zobaczymy nawet samoprzylepną folię pokrytą tym minerałem, którą każdy z nas będzie mógł wykorzystać do własnych potrzeb. Ponieważ sam minerał jest przezroczysty, wiąże się z taką folią duże nadzieje również w skali makro - można by ją przyklejać na budynkach i w ten sposób pozyskiwać prąd.
- Jak się okazuje, perowskity tysiąc razy łatwiej wytworzyć niż grafen. To bajecznie proste - powiedziała Malinkiewicz w jednym z wywiadów, dodając, że gdyby tylko zechciała, jest w stanie wyprodukować takie ogniwo… we własnej kuchni.
Kilka lat temu w polski startup zainwestowała firma zarządzana przez Japończyka Hideo Sawadę. Polacy zgromadzili ponad 20 mln euro w ramach unijnego programu Horyzont 2020 i z innych grantów, w tym także od polskiego rządu. Efekty ich pracy już są widoczne i być może wkrótce będą widoczne jeszcze bardziej.
W maju 2018 r. firma poinformowała o wyposażeniu w eksperymentalne panele perowskitowe domu o powierzchni 93 m2. Wytworzyły więcej energii, niż potrzebuje jej średnio w ciągu roku czteroosobowa rodzina.
Moduły firmy Saule Technologies planuje już wykorzystać znany koncern budowlany Skanska. Na początku 2018 r. informował o podpisaniu z Polakami umowy licencyjnej. Nabył też wyłączne prawa do wykorzystania technologii perowskitowej w budownictwie komercyjnym. Skanska zamierza pokrywać półprzezroczystymi ogniwami fotowoltaicznymi z tych materiałów biurowce, dzięki czemu fasady staną się źródłem energii elektrycznej wytwarzanej ze słońca, nawet przy rozproszonym świetle. W lipcu 2018 r. Skanska ogłosiła, że do testowania paneli solarnych opartych o perowskity wybrano wznoszony w Warszawie biurowiec Spark (7).
Teraz polski startup liczy na kontrakty na Bliskim Wschodzie. Tamten region znany jest z wielkich inwestycji w OZE, co przekłada się na rozwój najnowszych technologii związanych z odnawialnymi źródłami energii.
Polskie perowskity podnoszą sprawność
Powiedzenie, że perowskity to polska specjalność byłoby zapewne przesadą, ale akurat w tej dziedzinie dzieje się u nas całkiem sporo. W 2018 r. o kolejnym przełomie poinformowali inżynierowie z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Politechniki Warszawskiej. Ich wersja paneli solarnych, powstałych na bazie perowskitów, pozwala na konwersję energii słonecznej na elektryczną na poziomie ponad 19% (dotychczas było to ok. 17%). Przy okazji udało się również podnieść napięcie wytwarzanego prądu do 1,1 V.
Używane w fotowoltaice organiczno-nieorganiczne perowskity halogenkowe zwykle zawierają organiczne kationy metyloamoniowe, znajdujące się w centrach sześcianów sieci krystalicznej. Kationy te łatwo ulegają stopniowej degradacji pod wpływem czynników zewnętrznych, np. wody, ale także wskutek reakcji fotochemicznych lub działania podwyższonej temperatury. Polscy naukowcy spróbowali zastąpić części kationów metyloamoniowych przez jony guanidyny.
Jak wyjaśniono w komunikacie, naukowcy z IChF PAN i PW podjęli ambitną próbę wbudowania jeszcze większego jonu guanidynowego C(NH2)3+, który dzięki wewnątrzcząsteczkowej symetrii i większemu układowi sprzężonych wiązań nienasyconych stabilizuje materiał perowskitowy i pozwala na zwiększenie czasu życia nośników ładunku.
Do wprowadzenia guanidyny w sieć krystaliczną perowskitu użyto metody mechanochemicznej, polegającej na ucieraniu we właściwych proporcjach prekursorów o odpowiednio dobranej strukturze. W przeciwieństwie do standardowych reakcji chemicznych, przebiegających w roztworach, reakcja mechanochemiczna w całości zachodzi w fazie stałej, a transformacje chemiczne są indukowane siłą mechaniczną. W trakcie licznych prób przeprowadzonych przez grupę badawczą prof. Lewińskiego ustalono, że struktura krystaliczna perowskitu pozostaje trwała nawet wtedy, gdy 25% jonów metyloamoniowych zostanie zastąpionych kationami guanidynowymi.
Z kolei testy ogniw skonstruowanych z użyciem nowego, multikomponentowego perowskitu, zrealizowane na Politechnice Federalnej w Lozannie (EPFL) przez współpracującą z warszawskimi chemikami grupę prof. Michaela Grätzela, potwierdziły pierwotne przypuszczenia, że guanidyna zwiększa sprawność konwersji energii słonecznej na elektryczną z ok. 18 na ponad 19%. Po zoptymalizowaniu warunków otrzymywania ogniwa można oczekiwać dalszego wzrostu wydajności. Jednocześnie udało się podnieść napięcie wytwarzanego prądu do 1,1 V. Sukces naukowców opisany został w prestiżowym czasopiśmie naukowym "Journal of the American Chemical Society".
Ryzykowne organiczne jony
Jak wspominaliśmy, perowskity mają strukturę ABX3. A to cez i jony metyloamoniowe (MA) lub formamidynowe (FA). MA są niestabilne chemicznie, stanowiąc jedną z przyczyn małej trwałości perowskitów.
Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy zastępują MA jonami FA, ponieważ są one nie tylko bardziej stabilne termicznie, ale również wykazują lepszą charakterystykę pasma przewodzenia. Niestety, ze względu na swoje duże rozmiary, FA zniekształcają sieć perowskitową i zakłócają fotowoltaiczne właściwości materiału.
Naukowcy kierowani przez Michaela Salibę z Adolphe Merkle Institute we Fryburgu oraz Andersa Hagfeldta z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) znaleźli sposób na stabilizację fotowłaściwości FA w temperaturze pokojowej. Zrobiono to poprzez zastąpienie bromu jodem. Według raportu z badań opublikowanego w "Science" w październiku 2018 r. ich ogniwa z FA zamiast MA osiągnęły sprawność konwersji 20,35%, co jest jedną z najwyżej notowanych wydajności dla nieopartego na jonach metyloamoniowych ogniwa perowskitowego.
Jak podsumowują swoje wyniki badacze z niemiecko-szwajcarskiej grupy, organiczne jony MA pozostają zasadniczym czynnikiem ryzyka dla stabilności ogniw perowskitowych i dlatego należy ich unikać.
"Przemysł nie może sobie pozwolić w dłuższej perspektywie na taki czynnik ryzyka, jaki stanowi MA", piszą uczeni.
Sprawne, sprawniejsze, najsprawniejsze
Sprawność konwersji perowskitowych ogniw (8) przekroczyła już 20% i wędruje stosunkowo szybko w kierunku 30%. W kwietniu 2017 r. naukowcy z Australian National University poinformowali o zwiększeniu wydajności ogniwa do 26%, na skutek połączenia perowskitu z krzemowymi elementami, przez co powstało ogniwo hybrydowe.
Specjaliści z koreańskiego uniwersytetu UNIST zwiększyli wydajność czysto perowskitowych ogniw słonecznych do 22,1%. Było to możliwe dzięki postępowi w technice monitorowania wzrostu warstw kryształów.
Amerykanie z kalifornijskiego uniwersytetu UCLA poinformowali o postępie prac w zakresie budowy hybrydowych ogniw łączących perowskit z warstwą cienkowarstwową z mieszaniny CIGS (miedź, ind, gal, selen). W przeciwieństwie do ogniw krystalicznych umożliwia to m.in. zachowanie elastyczności ogniw. Zespół dr Yang Yang z UCLA opublikował w magazynie "Science" wyniki badań potwierdzających uzyskanie sprawności 22,4% w ogniwie złożonym z warstwy perowskitu o grubości zaledwie 1 mm, znajdującej się na szklanej powierzchni o grubości 2 mm, z nadrukowaną warstwą CIGS o grubości zaledwie 2 mm, która bez warstwy perowskitowej osiąga sprawność 18,7%.
- Nasza technologia zwiększyła sprawność ogniwa CIGS niemal o 20% - komentował na łamach czasopisma dr Yang. Naukowiec kalifornijskiej uczelni zapewnia, że dalsze prace nad taką konfiguracją ogniwa powinny doprowadzić do sprawności na poziomie 30%. Podobne prognozy podają zresztą inni naukowcy pracujący nad zastosowaniem perowskitów do produkcji energii.
Z kolei badacze belgijskiego ośrodka badawczego IMEC byli w stanie zwiększyć produktywność perowskitowych ogniw słonecznych do 23,9%. Twórcy zmienili architekturę elementów – umieścili refleksyjną ciecz pomiędzy perowskitem i krzemem. W rezultacie rozpiętość odczytów sprawności konwersji waha się w ich testach od 23,9 do nawet 26%.
Według najnowszych doniesień, IMEC w ramach partnerstwa EnergyVille ogłosił rekordowy wynik sprawności dla 4-terminalowego fotowoltaicznego ogniwa perowskitowo-krzemowego. Dzięki sprawności konwersji na poziomie 27,1% nowe ogniwo IMEC przewyższa najbardziej wydajne komercyjne krzemowe ogniwa słoneczne. Badacze są pewni, że dalsza odpowiednia inżynieria materiału perowskitowego przyniesie wzrost sprawności o ponad 30%.
To nowe, rekordowo wydajne ogniwo IMEC wykorzystuje powlekane ogniwo perowskitowe o powierzchni 0,13 cm², ułożone na ogniwie krzemowym o powierzchni 4 cm², wykonanym w warunkach przemysłowych, w konfiguracji 4-terminalowej. Umożliwia ona osiągnięcie wyższej wartości rocznej wydajności energetycznej w porównaniu z konfiguracją 2-terminalową. Dodatkowo, skalowanie tego najnowszego tandemowego urządzenia fotowoltaicznego za pomocą perowskitowego modułu o powierzchni 4 cm² na wyżej opisanej komórce krzemowej o tych samych wymiarach pozwoliło uzyskać łączną sprawność 25,3%, przewyższającą niezależną sprawność ogniwa krzemowego.
Naukowcy zaznaczają, że wszystkie warstwy ogniw można wytworzyć w temperaturach poniżej 120°C, co przekłada się na relatywnie niski koszt produkcji. Ponadto wykorzystane technologie budowy ogniw i modułów można zastosować w procesach tzw. sheet-to-sheet, a także roll-to-roll.
Na połączenie perowskitu z najpopularniejszymi na rynku ogniwami typu krystalicznego zdecydowali się Brytyjczycy z firmy Oxford Photovoltaics. Ostatnie prace związanego z nią zespołu naukowców doprowadziły do osiągnięcia na takim ogniwie w rozmiarach 1 cm2 wyniku 27,3%, potwierdzonego w badaniach instytutu Fraunhofer ISE.
Produkcyjne metody coraz bliżej
Naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) ogłosili w sierpniu, że znaleźli nową metodę wytwarzania tanich ogniw słonecznych o wysokiej wydajności. Prof. Yabing Qi i jego zespół z OIST, we współpracy z prof. Zhang Hao Liu z Uniwersytetu Shaanxi w Chinach, opracowali ogniwa fotowoltaiczne z materiałów i związków perowskitowych, zaś ich metodę opisano w czasopiśmie "Nature Communications".
Sposób japońskich badaczy pozwala na produkcję ogniw perowskitowych o wydajności porównywalnej z krystalicznymi ogniwami krzemowymi, ale jest potencjalnie znacznie od nich tańszy. Aby wyprodukować ogniwa fotowoltaiczne, naukowcy pokryli przezroczyste przewodzące substraty warstwami perowskitowymi, które bardzo wydajnie absorbują światło słoneczne. Zastosowano w tym celu technikę opartą na reakcji "gaz-ciało stałe", w której podłoże najpierw pokryto warstwą trójjodku wodorowo-ołowiowego, do którego wprowadzono niewielką ilość jonów chloru i metyloamoniowych.
Pozwala to na powtarzalne produkowanie ogniw z warstwą perowskitów o grubości 1 mikrona, z których budować można nawet bardzo duże panele.
- Nasze ogniwa słoneczne prawie nie zmieniły się po ośmiuset godzinach pracy - mówi na łamach "Nature Communications" Zhang Hao Liu. Ponadto grubsza warstwa, oprócz zwiększenia stabilności nowego ogniwa, ułatwia także jego produkcję, obniżając w ten sposób koszty.
- Grubsza warstwa absorbera zapewnia dobrą powtarzalność w wytwarzaniu ogniw słonecznych, co jest kluczową cechą umożliwiającą masową produkcję przemysłową - stwierdził Liu.
Wielkim wyzwaniem, przed którym staje teraz zespół prof. Qi, jest zwiększenie rozmiarów nowo zaprojektowanego ogniwa słonecznego. Prototyp miał zaledwie 0,1 mm2.
- Istnieje ogromna luka między odkryciami w laboratorium a rzeczywistością i producenci systemów fotowoltaicznych nie zawsze są gotowi do samodzielnego jej zapełnienia - podsumowuje Qi. - Dlatego naukowcy muszą wykonać jeszcze jeden niezbędny krok, by wyjść poza laboratorium i spotkać się z przemysłem w połowie drogi.
Zespół zbudował już działający model swoich nowych modułów perowskitowych. Składa się on z wielu ogniw słonecznych na podłożach o wielkości 5×5 cm i powierzchni aktywnej 12 cm2 (9). To znacznie więcej niż w przypadku prototypu, ale nadal mniej niż potrzeba do realnej komercjalizacji technologii. Proces zwiększania skali ogniwa obniżył też ich wydajność z 20 do 15%, ale naukowcy przewidują, że w przyszłości będą mogli poprawić sposób produkcji, by uzyskać lepsze parametry.
Nie tylko fotowoltaika
Oprócz ogniw słonecznych, perowskity są również bardzo obiecujące w kontekście innych urządzeń optoelektronicznych, takich jak diody elektroluminescencyjne, używane np. w płaskich wyświetlaczach panelowych i oświetleniu półprzewodnikowym.
Problemem jest to, że najwyższa zgłoszona zewnętrzna wydajność kwantowa, czyli EQE (liczba fotonów wytwarzanych na wykorzystany elektron) zielonego i czerwonego światła emitujących perowskity wynosi odpowiednio ok. 14 i 12%. Wartości te pozostają w tyle za wartościami organicznych diod LED i nieorganicznych kropek kwantowych. Zespół badaczy z Chin, Singapuru i Kanady być może rozwiązał jednak ten problem, wytwarzając diody LED z perowskitów halogenkowych, których EQE wynosi ponad 20%.
Naukowcy osiągnęli to dzięki nowej strategii, którą nazwali zarządzaniem dystrybucją kompozycji.
- Wyprodukowaliśmy wysokiej jakości folie perowskitowe, powlekając specjalną powłokę CsPbBr3 z dodatkiem MABr - wyjaśnia lider zespołu Zhanhua Wei, z Uniwersytetu Huaqiao w Xiamen, w rozmowie z "Physics World".
Wei i koledzy są teraz zajęci pracą nad poprawą żywotności swoich urządzeń, która wynosi tylko ok. stu godzin.
- To oczywiście za mało, by praktycznie zastosować tego rodzaju diody, więc musimy przedłużyć nasz wynik do ponad 10 tys. godzin, a nawet 100 tys. - mówi fizyk.
Niedawno zespół badaczy z Chin i Szwecji opracował fotodetektor wykonany z błony nieorganicznego perowskitu (10) i używany do wykrywania i przesyłania danych (w tym tekstu, obrazów i dźwięku) przez światło widzialne w wolnej przestrzeni. Naukowcy chcieliby wykorzystać te same właściwości w fotodetektorach, do zastosowań o dużej szerokości pasma, takich jak wolna przestrzeń komunikacji w świetle widzialnym (VLC), popularnie nazywana Li-Fi. Wygląda więc na to, że perowskity mogą się sprawdzić w nowych, dopiero raczkujących technikach przesyłu danych.
W listopadzie w mediach pojawiła się informacja o tym, że naukowcy ustanowili nowy rekord wydajności dla diod LED opartych na półprzewodnikach perowskitowych, dorównując najlepszym organicznym diodom LED (OLED).
W porównaniu z diodami OLED, które są szeroko stosowane w wysokiej klasy elektronice użytkowej, diody LED na bazie perowskitu, opracowane przez naukowców z Uniwersytetu w Cambridge, mogą być wykonane po znacznie niższych kosztach i dostrojone do emitowania światła w widmach widzialnych i bliskiej podczerwieni o wysokiej czystości kolorów. Naukowcy zaprojektowali warstwę perowskitu w diodach LED tak, aby wykazać blisko stuprocentową wewnętrzną wydajność luminescencyjną, co otwiera je na przyszłe zastosowania w wyświetlaczach, oświetleniu i komunikacji, jak również w ogniwach słonecznych nowej generacji.
Te materiały perowskitowe należą do tego samego typu, co materiały, z których wykonane są wysokowydajne ogniwa fotowoltaiczne. Chociaż opracowywano już wcześniej diody LED oparte na perowskitach, nie były one tak wydajne, jak konwencjonalne diody OLED przy przetwarzaniu energii elektrycznej w światło.
Znane wcześniej hybrydowe diody perowskitowe LED, skonstruowane po raz pierwszy przez grupę prof. Richarda Frienda w uniwersyteckim Laboratorium Cavendish cztery lata temu, były obiecujące, ale straty z warstwy perowskitu, spowodowane drobnymi defektami struktury krystalicznej, ograniczały ich sprawność pod względem emisji światła.
Teraz badacze z Cambridge z tej samej grupy i ich współpracownicy pokazali, że tworząc kompozytową warstwę perowskitów wraz z polimerem, można osiągnąć znacznie wyższą sprawność w zakresie emisji światła, zbliżoną do teoretycznego limitu sprawności cienkowarstwowych OLED. Ich wyniki zostały publikowane w czasopiśmie "Nature Photonics".
Mieszanina perowskitu i polimeru stosowana w urządzeniach LED, znana jako masowa heterostruktura, składa się z dwuwymiarowych i trójwymiarowych składników perowskitu oraz polimeru izolacyjnego. Gdy w kierunku struktur kierowane są ultraszybkie wiązki lasera, pary ładunków elektrycznych, które przenoszą energię, przemieszczają się w trylionowej części sekundy, by następnie ulegać rekombinacji i emitować światło niezwykle efektywnie.
- Ponieważ migracja energii odbywa się bardzo szybko, a ładunki są izolowane od defektów przez warstwę polimerową, unikamy powstawania defektów i zapobiegamy utracie energii - wyjaśnia na łamach "Nature Photonics" Dawei Di, członek grupy prowadzącej te badania.
Choć diody LED na bazie perowskitów zaczynają konkurować z diodami OLED pod względem wydajności, nadal potrzebują większej stabilności, jeśli mają być stosowane w elektronice użytkowej.
Kiedy opracowano je po raz pierwszy, ich żywotność wynosiła zaledwie kilka sekund. Okres półtrwania najnowszych modeli sięga blisko 50 godzin, co stanowi ogromną poprawę uzyskaną w ciągu zaledwie czterech lat, ale nadal nawet nie zbliża się do okresu trwałości wymaganego dla zastosowań komercyjnych.
Doniesienia z różnych gałęzi i frontów badań nad perowskitami prowadzą do wniosku, że choć postępy w tej dziedzinie są szybkie, szybsze niż w wielu innych, to jednak nie mamy wciąż materiałów gotowych do wprowadzenia na rynek. Nie można się jednak nie cieszyć z faktu, że w rozwoju opisywanej technologii "nasi" mają spory udział. Warto kibicować im w dalszych pracach, a kto wie - może i w pionierskich projektach rynkowych.
Mirosław Usidus
