Zespoły naukowców z Universitat Jaume I in Castelló w Hiszpanii oraz University of Oxford z Wielkiej Brytanii opracowały ogniwo fotowoltaiczne z półprzewodnikowego nanokompozytu grafen – dwutlenek tytanu oraz perowskitu pochłaniającego światło słoneczne. Tanie urządzanie z nanocząstek wytwarzane jest w niskich temperaturach oraz charakteryzuje się stosunkowo wysoką wydajnością konwersji energii.
Perwoskity na tanie ogniwa słoneczne to alternatywa dla tradycyjnych ogniw na bazie krzemu. W 2013 roku magazyn Science wyróżnił naukowców z Ecole Polytechnique Federale de Lausanne w Szwajcarii za opracowanie organicznych ogniw z perowskitów o 15% sprawności. Informowaliśmy o nich, przypominając słowa badaczy o niskich kosztach produkcji energii elektrycznej w ogólnym rozliczeniu kosztów wytwarzania i obsługi ogniw z perowskitów (zaledwie 0,10-0,20 centów/W). Wcześniej wymienione, organiczne komórki fotowoltaiczne najwyższą sprawność osiągały, gdy warstwa perowskitowa nakładana była w temperaturze około 500°C. Zwiększało to koszty fabrykacji, uniemożliwiało zastosowanie tanich materiałów polimerowych (tworzywa sztuczne mają niską temperaturę mięknięcia) oraz budowę skomplikowanej architektury złącz.
Raport przedstawiony w czasopiśmie Nano Letters przedstawia rozwiązanie w postaci podłoża z nanokompozytu grafen/TiO2 dla mezoporowatej struktury perowskitu. Warstewka ta nie pochłania światła słonecznego w znacznym stopniu, ale powłoka z perowskitu przyczynia się do zwiększenia jej własności absorpcyjnych. Na skutek światła padającego na organiczny barwnik (absorpcji fotonu) powstają pary elektron-dziura elektronowa przekazywane do niższej warstwy. Wygenerowane nośniki ładunku rozdzielane są następnie przez pole elektryczne występujące w złączu p-n (obszarze na styku dwóch półprzewodników – akceptorowym typu p, gdzie prąd przewodzą dziury i drugim, donorowym typu n, przewodzącym elektrony).
Najpierw, grupa badaczy uzyskała nanocząsteczki dwutlenku tytanu poprzez krystalizację z roztworu wodnego (metoda hydrotermalna). Izopropanolan tytanu (IV) wsypano do kwasu octowego i mieszano w temperaturze pokojowej przez 15 minut. Następnie dodano dejonizowanej wody oraz 70% roztworu HNO3. Kolejnym etapem było ogrzewanie roztworu w autoklawie w temperaturze 250°C przez 14 godzin. Na końcu, mieszaninę wielokrotnie wirowano, przemywano wodą i etanolem. Płatki grafenu wytworzono metodą złuszczania grafitowego proszku, o maksymalnej średnicy ziarna wynoszącej 0,5 mm. Eksfoliację przeprowadzono za pomocą ultradźwięków w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku (izopropanolu). Fale ultradźwiękowe wywoływały lokalne zmiany ciśnienia, które rozdzielały płaszczyzny grafitu. Nano kompozyt stworzono poprzez zmieszanie odpowiedniej objętości roztworu płatkowego grafenu z dyspersją nanocząsteczek TiO2. Potem, umieszczono go na 20 minut w łaźni ultradźwiękowej, aby umożliwić rozproszenie płatków grafenu i zakotwiczenie w nich nanocząsteczek dwutlenku tytanu.
Podstawę komórki ogniwa stanowiła transparentna powłoka przewodząca z tlenku cyny domieszkowanego fluorem (z ang. fluorine doped tin oxide, FTO). Za pomocą powlekania wirowego naniesiono nanokompozyt grafen/TiO2. Dyspersję osadzano przez 60 sekund przy 2000 obrotów podstawy na minutę. Powłokę utrwalono w temperaturze 150°C, w ciągu 60 minut. Tym samym sposobem nałożono mezostrukturę z Al2O3, a na nią warstwę perowskitu CH3NH3PbI3-xClx. Całość uzupełniły elektrody kontaktowe ze złota. Testy sprawności przeprowadzono przy użyciu lampy imitującej słońce, o natężeniu 106,5 mW/cm2. Ogniwa wykazywały sprawność konwersji energii na poziomie 15,6%.
Nowe urządzenie składa się z kilku warstw nakładanych w temperaturze niższej niż 150°C. Stosunkowo wysoka sprawność oraz niewysokie temperatury fabrykacji, wpływają korzystnie na sposobność produkcji perowskitowych ogniw z dodatkiem grafenu i TIO2. W wytwarzaniu na dużą skalę znacznie ma również możliwość wykorzystania jako podłoże elastycznych tworzyw sztucznych. Inżynierowie odpowiedzialni za badania są zdania, że przyczynią one się do dalszego rozwoju tanich ogniw fotowoltaicznych.
Źródło:
[1] Jacob Tse-Wei Wang, James M. Ball, Eva M. Barea, Antonio Abate, Jack A Alexander-Webber, Jian Huang, Michael Saliba, Iván Mora-Sero, Juan Bisquert, Henry J. Snaith, R. J. Nicolas. Low-temperature processed electron collection layers of Graphene/TiO2 nanocomposites in thin film perovskite solar cells. Nano Letters, 2013; : 131216131814005 DOI: 10.1021/nl403997a
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl403997a [16.01.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl403997a/suppl_file/nl403997a_si_001.pdf [16.01.2014]
[4] http://www.alphagalileo.org/ViewItem.aspx?ItemId=137973&CultureCode=en [16.01.2014]
[5] Solar World wafer by OregonDOT, flickr.com, CC BY 2.0