Marek Lipiński 

Najczęściej stosowanym perowskitem halogenkowym do ogniw słonecznych, szczególnie w pierwszych latach badań nad tego typu ogniwami, jest perowskit MAPbI3 (MA oznacza kation metyloamoniowy CH3NH3+).

Tego typu perowskit jest stabilny pod względem struktury, ale jest bardzo mało odporny na podwyższoną temperaturę i wilgoć. Perowskit ten ulega rozkładowi w temperaturze 85 °C. Warunkiem koniecznym jaki musi muszą spełniać moduły PV jest ich trwałość w czasie wygrzewania w temperaturze >85 °C, perowskit ten nie nadaje się zatem do komercjalizacji. Ponadto omawiany perowskit bardzo łatwo ulega degradacji pod wpływem niewielkiej ilości wody. Dlatego też poszukiwano innych perowskitów, które byłyby bardziej stabilne. Perowskity z kationem FA (FA oznacza kation formamidynowy NH2CH=NH2+) są bardziej odporne termicznie ale nie są stabilne strukturalnie, gdyż kation FA jest zbyt duży by mogła powstać stabilna faza perowskitowa. Okazało się jednak, że ich stabilność strukturalną można poprawić poprzez dodanie kationów o mniejszych rozmiarach, takich jak MA, cez (Cs), rubin (Rb). Dla takich mieszanych perowskitów uzyskuje się zarówno zwiększoną stabilność, jak i również wysoką sprawność (>20%). 

Inna metoda zwiększenia stabilności polega na wykorzystaniu warstw perowskitów dwuwymiarowych (2D), które powstają w wyniku użycia kationów o dużych rozmiarach np. kationów alkiloamoniowych. Takie 2D perowskity charakteryzują się dużą stabilnością i odpornością na oddziaływanie H2O. Jeśli warstwy perowskitów 2D wytworzy się pomiędzy warstwą perowskitu absorbującego światło, a warstwą HTM, uzyskuje się ogniwa o najwyższej stabilności. 

Problem stabilności nie jest jeszcze jednak całkowicie rozwiązany i wymaga dalszych badań w celu zrozumienia mechanizmów degradacji PSC, co pozwoli na zaprojektowanie wysokosprawnych i stabilnych ogniw. 

Jednym z problemów związanych z oceną degradacji perowskitów jest opracowanie spójnych metod testowania i walidacji. Grupy badawcze podają wyniki wydajności w oparciu o bardzo zróżnicowane warunki testowe, skład atmosfery, oświetlenie i inne parametry. Chociaż tak zróżnicowane warunki testowe mogą dostarczyć cennych danych, to jednak brak standaryzacji utrudnia bezpośrednie porównanie wyników i trudno jest określić, jak się będą zachowywać ogniwa PSC w rzeczywistych warunkach.  

Nie ma jeszcze opracowanych specjalnie dla perowskitów przyśpieszonych testów, które by były równoważne pracy w rzeczywistych warunkach przez okres np. 25 lat, do testowania wykorzystuje się testy stabilności stosowane dla modułów opartych na nieorganicznych cienkowarstwowych ogniwach słonecznych (CIGS, CdTe, a-Si) i ogniwach krzemowych. Testy są wykonywane według normy PN-EN IEC 61215-2:2021-11 (dawna norma PN-EN IEC 61646). Przejście przez ten test jest minimalnym wymogiem by ogniwa perowskitowe mogły być komercjalizowane. W celu zapewnienia stabilności na poziomie 25 lat, tak jak dla ogniw krzemowych, test ten musi być spełniony wielokrotnie [1]. 

Grupy badawcze najczęściej podają stabilność ogniw bez hermetyzacji lub zahermetyzowanych w różnych warunkach charakteryzujących się różną wilgotnością, temperaturą, oświetleniem. Z tego też powodu trudno jest porównywać uzyskane wyniki. Publikowane są również wyniki badań przeprowadzonych tylko dla jednego lub kilku wybranych testów. Najczęściej jest to test oddziaływania wpływu wilgoci i ciepła „damp heat” ponieważ odporność ogniw na te dwa czynniki jest największym problemem. Test polega na wygrzewaniu modułu w temperaturze 85± 2 oC w atmosferze powietrza o wilgotności RH=85± 5% przez 1000 godzin [2,3]. Zahermetyzowane ogniwa perowskitowe o najwyższych stabilnościach poddane temu testowi mają nadal wysoką sprawność (92% swojej sprawności początkowej). W literaturze są pokazane przykłady zahermetyzowanych ogniw, które przechodzą również inne testy: takie jak oddziaływanie temperatury, naświetlania UV, uderzenia gradu czy też  wpływu warunków zewnętrznych.

Ogniwa perowskitowe wchodzą już w fazę dojrzałą, bliską komercjalizacji. Optymistyczną wiadomością jest, że kilka firm uruchamia pilotażowe linie produkcyjne perowskitowych modułów fotowoltaicznych np. Oxford PV (tandemy 2T perowskit/Si), Microquanta Semiconductor, Voltec Solar (tandemy 4T perowskit/Si) Saule Technologies S.A. i prawdopodobnie ogniwa te niedługo pojawią się już na rynku. Moduły te oczywiście muszą przechodzić przez wszystkie testy normy PN-EN IEC 61215-2:2021-11. Duże nadzieje można wiązać z tandemowymi modułami perowskit/krzem, zarówno z dwoma końcówkami (2T), jak i czterema (4 T), które będą miały sprawność około 30% i przede wszystkim ich cena będzie niższa od ogniw krzemowych. Jeśli  się potwierdzi się, że będą one równie trwałe jak moduły krzemowe, to mogą one zdominować rynek fotowoltaiczny już za kilka lat. 

Literatura

  1. Holzheya, P., Salibaa, M., A full overview of international standards assessing the long-term stability of perovskite solar cells, Journal of Materials Chemistry A, 2018,6, 21794-21808. DOI: 10.1039/C8TA06950F.
  2. Matsui, T., Yamamoto, T., Nishihara, T., Morisawa, R., Yokoyama, T., Sekiguchi, T., et al. (2019). Compositional Engineering for Thermally Stable, Highly Efficient Perovskite Solar Cells Exceeding 20% Power Conversion Efficiency with 85 °C/85% 1000 H Stability. Adv. Mater. 31, 1806823. doi:10.1002/ adma.201806823
  3. Jang, Y.-W., Lee, S., Yeom, K. M., Jeong, K., Choi, K., Choi, M., et al., Intact 2D/3D Halide junction Perovskite Solar Cells via Solid-phase In-Plane Growth. 2021a, Nat. Energ. 6, 63–71. doi:10.1038/s41560-020-00749-7.