Molekularni „kišni mantil“ čuva solarnu ćeliju bez olova

Ukratko

Solarna ćelija mora da upija svetlost, pretvara je u električnu energiju i pritom godinama odoleva kiseoniku, vlazi i toploti. Materijali iz porodice perovskita već su pokazali veliki potencijal za prvi deo tog zadatka, ali njihova dugotrajnost ostaje ozbiljan izazov. Posebno je teško napraviti stabilne perovskitne ćelije na bazi kalaja, koje izbegavaju olovo u apsorbujućem sloju. Tim Univerziteta Viskonsin–Medison i Nacionalne laboratorije Rokis sada je pokazao način da osetljivi kalajni materijal zaštiti samom njegovom strukturom, bez oslanjanja samo na spoljašnju ambalažu.

Šta su perovskitne solarne ćelije?

Naziv „perovskit“ u ovom kontekstu označava tip kristalne strukture, a ne jednu jedinu hemijsku supstancu. U kristalu se različiti atomi ili joni raspoređuju u ponavljajuću prostornu mrežu. Ta mreža određuje kako materijal upija fotone i kako se električni naboj kreće kroz njega. U solarnoj ćeliji svetlost stvara nosioce naboja, a slojevi uređaja usmeravaju ih ka spoljašnjem kolu. Da bi ćelija bila korisna, nije dovoljno da materijal apsorbuje mnogo svetlosti: naboj mora stići do kontakata pre nego što se izgubi u neželjenim procesima.

Mnogi najefikasniji halogenidni perovskiti sadrže olovo. Kalaj je privlačna zamena zato što može dati dobre optičke i elektronske osobine, a smanjuje zabrinutost zbog olova u aktivnom sloju. Ipak, kalaj u takvim materijalima lako menja hemijsko stanje pod uticajem kiseonika. Vlaga dodatno narušava kristalnu mrežu. Nastaju defekti koji pojačavaju gubitke naboja i ćelija brzo slabi. „Bez olova“ zato ne znači automatski „spremno za krov kuće“: ekološka prednost ima smisla tek ako uređaj dovoljno dugo radi i ako se mogu proizvesti pouzdani moduli.

Zaštita izgrađena u samom materijalu

Istraživači su ispitivali organske jone koji se uklapaju između delova kalajnog perovskita. Poredili su srodne molekule sa različitim halogenim atomima — fluorom, hlorom ili bromom. Pokazalo se da molekul sa hlorom, poznat kao 4ClPEA, pogoduje gušćem pakovanju kristalnih slojeva. Kada su delovi materijala zbijeniji i uređeniji, kiseonik i voda teže nalaze put do osetljivih kalajnih mesta. Zbog toga autori koriste slikovito poređenje sa „kišnim mantilom“: zaštita nije samo spolja nalepljena folija, već potiče iz načina na koji je složen aktivni sloj.

Nije dovoljno reći da hlor jednostavno „odbija vodu“. Istraživanje govori o složenoj vezi između hemijskog sastava, kristalnog pakovanja i kretanja molekula kroz materijal. Tim je kombinovao eksperimentalno poređenje više sastava sa teorijskim proračunima. Proračuni podržavaju objašnjenje da gušća struktura otežava prolaz kiseonika i vlage, dok merenja pokazuju da se performanse uređaja zaista sporije pogoršavaju. Jedan jedini laboratorijski pokazatelj ne bi bio dovoljan za tako širok zaključak.

Šta znači rezultat od 16,2 odsto?

Najbolji uređaji u ovoj studiji pretvorili su 16,2% upadne svetlosne energije u električnu energiju u uslovima laboratorijskog merenja. To je dobar rezultat za kalajne perovskitne ćelije, naročito kada se posmatra zajedno sa trajnošću. Ipak, sam procenat ne govori koliku bi struju dala buduća velika elektrana: važni su površina modula, gubici pri povezivanju ćelija, ponašanje na otvorenom, proizvodnja u velikom obimu i cena tokom celog veka upotrebe.

U testu čuvanja u suvom vazduhu najbolje ćelije zadržale su više od 95% početne efikasnosti nakon 1.600 sati. U drugom ogledu, pod neprekidnim simuliranim Sunčevim svetlom i na 55 °C, zadržale su 80% početne efikasnosti posle 1.000 sati. To su različite vrste testiranja: suvi vazduh nije isto što i kiša, mraz, dnevno zagrevanje i hlađenje. Čak ni meseci laboratorijskih eksperimenata nisu isto što i dvadeset godina na krovu. Rezultat je zato najbolje čitati kao značajan korak u istraživanju, ne kao gotov komercijalni proizvod.

Postoji još jedna važna razlika: istraživači su radili sa malim laboratorijskim uređajima. Kada se aktivni sloj nanosi preko velike površine, sitne neujednačenosti, pukotine i defekti mogu biti češći. Spoljašnja zaštita modula, električni kontakti i ostali slojevi takođe moraju trajati. „Molekularni mantil“ olakšava jedan od ključnih problema, ali ne rešava automatski sve ostale.

Zašto bi ova hemija mogla biti važna?

Vodeći izazov za mnoge nove solarne materijale nije samo početna efikasnost već očuvanje te efikasnosti kroz vreme. Ako se zaštita može dobiti promenom sastava i pakovanja slojeva, istraživači dobijaju strategiju koju mogu prilagođavati i drugim recepturama. U ovom radu zanimljivo je i to što poboljšana stabilnost nije postignuta po cenu vrlo slabog pretvaranja svetlosti: oba pokazatelja su ostala konkurentna za kalajnu granu istraživanja.

Sledeći koraci uključuju ponavljanje rezultata u različitim laboratorijama, proveru tokom dužeg rada na otvorenom, proizvodnju većih površina i procenu celokupnog uticaja na životnu sredinu. Tek tada će moći da se uporedi ukupna korist sa postojećim silicijumskim i drugim perovskitnim tehnologijama. Naučna vest već sada zaslužuje pažnju jer pokazuje kako mala promena u građi molekula može dramatično uticati na makroskopsku izdržljivost uređaja. Ona nas podseća da za dobru tehnologiju nisu dovoljne impresivne brojke prvog dana: važno je i šta se dogodi nakon hiljadu sati rada.