Nie ma wątpliwości, że o najbliższej przyszłości fotowoltaiki zadecydują materiały z grupy perowskitów. To duża grupa materiałów o sześciennej strukturze krystalicznej, opisanych ogólnym wzorem ABX3. Kation, oznaczony literą A, jest w centrum sześcianu, pośrodku każdej ściany znajduje się anion X, a w narożach tkwią centra koordynacji oznaczane literą B. Pierwszym znanym perowskitem był tytanian(IV) wapnia CaTiO3, odkryty w 1838 roku, nazwany na cześć rosyjskiego geologa Lwa Perowskiego. Szybko się okazało, że w strukturze perowskitu jony tlenkowe, wapnia i tytanu można zastępować innymi jonami, co pozwala w kontrolowany sposób kształtować właściwości fizykochemiczne perowskitów.
Udoskonaloną odmianę perowskitu, zawierającą w strukturze krystalicznej relatywnie duży jon organiczny – kation guanidynowy – opisali polscy chemicy w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Journal of the American Chemical Society” (JACS). Sukces jest dziełem grupy naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie i Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej (PW), kierowanej przez prof. dr. hab. inż. Janusza Lewińskiego. Testy laboratoryjne wykonane w Politechnice Federalnej w Lozannie wykazały, że ogniwa fotowoltaiczne z nowego perowskitu pracują wydajniej niż ogniwa zbudowane z użyciem jego pierwotnej postaci.
– Jednym z głównych obszarów zastosowań perowskitów jest dziś fotowoltaika. Używane tu organiczno-nieorganiczne perowskity halogenkowe zwykle zawierają organiczne kationy metyloamoniowe (komponent A), 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. Podjęliśmy próbę mechanochemicznego zastąpienia części kationów metyloamoniowych przez jony guanidyny. Wybór właśnie tego ostatniego związku nie był przypadkowy – mówi mgr inż. Marcin Saski, doktorant w IChF PAN, jeden ze współautorów publikacji.
W strukturze perowskitu jon metyloamoniowy CH3NH3+ jest często zastępowany nieco większym jonem formamidyniowym HC(NH2)2+, bardziej stabilnym termicznie. Dodatkowo posiada zdelokalizowane wiązanie między atomem węgla i dwoma atomami azotu poprawiające właściwości półprzewodnikowe. Naukowcy z IChF PAN podjęli 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.
– Ogromną zaletą mechanochemii jest możliwość szybkiego przeprowadzenia złożonych reakcji chemicznych bez konieczności stosowania wysokich temperatur czy szkodliwych rozpuszczalników organicznych. To prawdziwie zielona chemia, z uwagi na niewymagający sprzęt laboratoryjny przyjazna także portfelowi – tłumaczy dr inż. Daniel Prochowicz, beneficjent indywidualnego grantu imienia Marii Skłodowskiej-Curie programu ramowego Unii Europejskiej Horyzont 2020, realizowanego w zespole prof. Michaela Grätzela (EPFL).
Testy ogniw skonstruowanych z użyciem nowego, multikomponentowego perowskitu, zrealizowane w EPFL przez współpracującą z warszawskimi chemikami grupę prof. Grätzela, potwierdziły pierwotne przypuszczenia: guanidyna rzeczywiście zwiększyła wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną z ok. 18% na ponad 19%, przy czym po zoptymalizowaniu warunków otrzymywania ogniwa można oczekiwać dalszego wzrostu wydajności. Jednocześnie udało się podnieść napięcie wytwarzanego prądu do 1,1 V.
– Poprawa parametrów fotowoltaicznych w perowskitach zawierających jony guanidynowe nie jest może szczególnie spektakularna, ale bardzo wyraźna. Co więcej, wzrosty widać nie w jednym, a w kilku istotnych parametrach – mówi prof. Lewiński i dodaje: – Warto zwrócić uwagę, że nasze perowskity z guanidyną zawierają mniej lotną aminę i są bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych od macierzystego perowskitu. Wyższa trwałość ogniw fotowoltaicznych to niebagatelny argument przemawiający za ich komercjalizacją.
Badania sfinansowano w ramach projektu badawczego GOTSolar oraz z indywidualnego grantu badawczo-szkoleniowego imienia Marii Skłodowskiej-Curie, będących częścią programu Horizon 2020 Unii Europejskiej.
JK
(Źródło: IChF PAN)