Σημαντική καινοτομία στα φωτοβαλταϊκά – Το γουανιδίνιο σταθεροποιεί περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα σε απόδοση 19%

Η ενσωμάτωση γουανιδίνιου σε περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα σταθεροποιεί την απόδοσή τους στο 19% για 1000 ώρες κάτω από συνθήκες ελέγχου με πλήρη ηλιακή ακτινοβολία. Η μελέτη, που διεξήχθη από την EPFL, δημοσιεύθηκε στο Nature Energy.

Με την αποδοτικότητα της μετατροπής ισχύος των ηλιακών κυττάρων πυριτίου να φθάνει στο ανώτατο 25% περίπου, οι περοβσκίτες, τώρα, ιδανικά πλασάρονται για να γίνουν η επόμενη γενιά φωτοβολταϊκών της αγοράς. Ιδιαιτέρως, οι οργανικοί-ανόργανοι περοβσκίτες μολύβδου-αλογόνου προσφέρουν κατασκευαστική ευελιξία που μπορεί δυνητικά να μεταφραστεί σε πολύ υψηλότερη απόδοση: μελέτες έχουν ήδη δείξει φωτοβαλταϊκές αποδόσεις πάνω από 20% σε διάφορες αρχιτεκτονικές ηλιακού κυττάρου που κατασκευάζεται με απλές και χαμηλού κόστους διαδικασίες.

Η κύρια πρόκληση για το πεδίο των περοβσκιτών είναι όχι τόσο πολύ η αποδοτικότητα αλλά η σταθερότητα. Αντίθετα από τα κύτταρα πυριτίου, οι περοβσκίτες είναι ελαφρώς κρυσταλλικά υλικά και επιρρεπή σε προβλήματα λόγω της αποσύνθεσης κατά τη πάροδο του χρόνου. Σε εμπορικό πλαίσιο, αυτό βάζει τους περοβσκίτες σε υψηλότερη τιμή από ότι τα συμβατικά κύτταρα πυριτίου. Επομένως, γίνονται πολλές προσπάθειες για να συντεθούν περοβσκιτικά υλικά που μπορούν να διατηρήσουν υψηλή, κατά την πάροδο του χρόνου, αποδοτικότητα. Αυτό γίνεται με εισαγωγή διαφόρων κατιόντων (ιόντα θετικά φορτισμένα) στην κρυσταλλική δομή του περοβσκίτη κα παρόλο που αναφέρεται επιτυχία [σε προσπάθειες] με μίξη ανόργανων κατιόντων, όπως καίσιο ή ρουβίδιο, στη σύνθεση του περοβσκίτη, οι λύσεις αυτές τείνουν να είναι δύσκολες και ακριβές στην εφαρμογή.

Εν τω μεταξύ, δεν βρέθηκαν μέχρι τώρα οργανικά – και ευκολότερα να συντεθούν – κατιόντα που να μπορούν να βελτιώσουν τόσο την αποδοτικότητα όσο και τη σταθερότητα. Τώρα, στο Εργαστήριο Mohammad Khaja Nazeeruddin στην EPFL στο Valais Wallis campus, με συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Cordoba, ανακάλυψαν ότι μπορούν να βελτιώσουν τη περοβσκιτική σταθερότητα εισάγοντας το μεγάλο οργανικό κατιόν γουανιδίνιο [guanidinium (CH6N3+)] σε περοβσκίτη ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου-μολύβδου, ο οποίος είναι μεταξύ των πλέον υποσχόμενων εναλλακτικών στην ομάδα, σήμερα.

Έλεγχος σταθερότητας του καινοτόμου MA(1-x)GuaxPbI3 περοβσκιτικού υλικού κάτω από συνεχή φωταγώγηση σε σύγκριση με το υπερσύγχρονο MAPbI3. Επάνω: Σχηματική παρουσίαση της αρχιτεκτονικής της συσκευής και η τεχνητή κρυσταλλική δομή.

Ο επιστήμονες δείχνουν ότι το κατιόν γουανιδίνιου εισέρχεται στη κρυσταλλική δομή του περοβσκίτη και αυξάνει τη συνολική θερμική και περιβαλλοντική σταθερότητα του υλικού, ξεπερνώντας αυτό που είναι γνωστό στο πεδίο ως «όριο του συντελεστή ανοχής t (tolerance factor) του Goldschmidt». Αυτό, είναι ένας δείκτης της σταθερότητας του περοβσκιτικού κρυστάλλου, που περιγράφει πόσο συμβατό με αυτόν είναι ένα ιδιαίτερο ιόν. Μια ιδεατή τιμή του συντελεστή ανοχής t θα ήταν κάτω από ή ίση με 1. Του γουανιδίνιου είναι μόλις 1,03!

Η μελέτη δείχνει ότι η πρόσθεση του γουανιδίνιου βελτίωσε σημαντικά την υλική σταθερότητα του περοβσκίτη, ενώ πέτυχε μια μέση απόδοση μετατροπής ισχύος πάνω από 19% (19,2±0,4%) και σταθεροποίησε αυτή την απόδοση για 1000 ώρες κάτω από συνεχή έκθεση φωτός, που είναι ένας τυπικός εργαστηριακός έλεγχος για τη μέτρηση της αποδοτικότητας φωτοβολταϊκών υλικών. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι αυτό ανταποκρίνεται σε 1333 ημέρες (ή 3,7 έτη) χρήσης στον πραγματικό κόσμο. Αυτό βασίζεται στα τυπικά κριτήρια που χρησιμοποιούντα στο πεδίο αυτό.

«Αυτό είναι θεμελιώδες βήμα στο περοβσκιτικό πεδίο», αναφέρει ο Nazeeruddin. «Προσφέρει ένα νέο παράδειγμα στο σχεδιασμό περοβσκίτη, καθώς θα μπορούσαν να κυριαρχήσουν περαιτέρω διερευνήσεις, με αναμίξεις κατιόντων, πέρα από το όριο του συντελεστή ανοχής t, ενώ διατηρείται μια τρισδιάστατη δομή με βελτιωμένη σταθερότητα μέσω του αυξανόμενου αριθμού των δεσμών H μέσα στο ανοργανικό πλαίσιο – ένα πρόβλημα που τώρα είμαστε κοντά στο να το λύσουμε».

Πηγή: EPFL

Περισσότερα στη δημοσίευση: Large guanidinium cation mixed with methylammonium in lead iodide perovskites for 19% efficient solar cells. Nature Energy.