Badania nad perowskitami: od pojedynczych dodatków do chemii wielofunkcyjnej

Zwitterjony jako dodatki wielofunkcyjne

Zwitterjony to obojętne cząsteczki, które noszą ładunek dodatni i ujemny. Według przeglądu ten podwójny ładunek robi więcej niż pasywacja defektów.

Jak czytamy w przeglądzie, jedna jednostka molekularna może odpowiadać za pasywację defektów, modulację krystalizacji i dostrajanie poziomów energetycznych na granicy faz. Zdaniem autorów klasyczne pasywatory kwasów i zasad Lewisa oraz pojedyncze dodatki jonowe tego nie dają. Ma to znaczenie, bo ogniwa perowskitowe wciąż tracą sprawność z powodu defektów i degradują się pod wpływem ciepła i wilgoci, więc każdy dodatek musi jednocześnie poprawiać wydajność i trwałość. Podane sprawności pozostają na poziomie laboratoryjnym. W opublikowanych wynikach nie ma ani żywotności modułów komercyjnych, ani wydajności produkcyjnych.

Najszerzej zbadane są zwitterjony typu betainowego, podaje przegląd. W perowskitach cynowych aminokwas L-asparagina podniósł sprawność ogniwa z 10,54% do 13,31%.

Kwas formamidynosulfinowy pozwolił osiągnąć 22,06% w urządzeniu o szerokiej przerwie energetycznej. Autorzy zaznaczają, że skuteczność tych mechanizmów zależy od struktury molekularnej, sposobu wprowadzenia związku i jego miejsca w urządzeniu. Zwitterjony w formie ciekłej mogłyby rozwiązać problem słabej rozpuszczalności, dodają.

Automatyzacja i dodatki solne celują w formowanie warstwy

Na Uniwersytecie w Osace badacze zbudowali zautomatyzowaną platformę, która obserwuje powstawanie warstwy perowskitu na bieżąco. Mierzy zmiany barwy w skali poniżej sekundy i rozróżnia ruch oraz uderzenie kropel rozpuszczalnika w ciągu kilku milisekund. Asia Research News poinformowało 2 listopada, że system, opisany w ACS Nano, łączy te pomiary z uczeniem maszynowym. Zespół wykorzystał potem analizę do kierowania wytwarzaniem urządzenia na bazie ołowiu, które osiągnęło 24,4% sprawności konwersji mocy.

„Chcemy wyjść poza metodę prób i błędów, mierząc to, co dzieje się z warstwą, gdy naprawdę się tworzy” powiedział główny autor Ryosuke Kado.

Osobno badacze z Argonne National Laboratory użyli dwóch soli, bromku cynku i chlorku metyloamoniowego, żeby obniżyć temperaturę topnienia prekursorów perowskitu. Warstwa na chwilę się upłynnia, a potem atomy układają się w bardziej jednolitą strukturę. Nanowerk poinformował 30 października, że metoda, opublikowana w Science, dała ogniwo słoneczne o sprawności 26,5% i diodę LED o 26,1% zewnętrznej wydajności kwantowej. „Defekty są wąskim gardłem perowskitów od prawie dekady” powiedział autor badania Yanqi Luo.

Stabilność z etapem usuwania litu

Stabilność to druga połowa problemu. Naukowcy z Korea Institute of Energy Research użyli tlenku niklu, żeby wyciągnąć jony litu z warstwy transportującej dziury, a następnie usunęli je przez filtrację, podało pv magazine 27 października. Najlepsze ogniwo osiągnęło 25,24% sprawności i zachowało ponad 90% sprawności początkowej po 500 godzinach ciągłej pracy. W teście wilgotnego ciepła w 85 C i 85% wilgotności względnej utrzymało 95%. Proces pozwala utlenić spiro-OMeTAD w mniej niż pięć sekund bez dodatku tBP, a przewodność warstwy transportującej dziury wzrosła 2,5 razy.

Luka w sprawności zostaje

Nie każdy wynik mieści się w tym samym przedziale. Raport Bioengineer.org z 26 października opisał ogniwo z jodku cyny i cezu, które po przeprojektowaniu kierowanym modelem osiągnęło 10,76%, w górę z 8,98% w nieoptymalizowanym odpowiedniku. Perowskity cynowe nie zawierają ołowiu, ale utleniają się w powietrzu, co trzyma je za rywalami na bazie ołowiu.

Ogniwa tandemowe z samych perowskitów są dalej. Rzeczywiste urządzenia tej klasy osiągnęły 30,1% wobec teoretycznego maksimum blisko 45%, podało Bioengineer.org 30 października.

Badanie symulacyjne z Huazhong University of Science and Technology przewidziało 31,13% dla ogniwa tandemowego z ząbkowanym przodem i zakopanymi granicami faz, o 3,41% więcej niż w płaskim układzie odniesienia, podało Bioengineer.org 30 października. Symulacje to nie urządzenia. Między tymi dwiema liczbami wciąż mieści się argument o komercjalizacji.