Na štúdii pracovali aj výskumníci z Českej akadémie vied.
Zdroj: iStockphoto.com
Na zdokonalení solárnych článkov zložených z materiálu perovskit (zlúčenina oxidu titaničito-vápenatého v kryštalickej forme) pracujú vedci po celom svete intenzívne viac ako desať rokov. Chcú docieliť čo najúčinnejšiu premenu slnečnej energie na energiu elektrickú.
Perovskit
Na vývoj cenovo dostupnejších a vysokovýkonných fotovoltických článkov využívajú vedci v súčasnosti umelo vytvorený kryštalický materiál perovskit. Patrí do skupiny materiálov, ktorých štruktúra bola odvodená od minerálu perovskit (CaTiO3).
Medzinárodnému tímu výskumníkov pod vedením profesora Feng Gao z univerzity vo švédskom Linköpingu sa podarilo objasniť mechanizmus, ako zvýšiť životnosť a účinnosť tohto typu organických solárnych článkov. Do jednej z vrstiev článku pridali aditívum, čím sa zjednodušil rozsah prenosu náboja. Zvýšili tak jeho efektivitu a účinnosť.
Na výskume sa významne podieľali tiež vedci z Ústavu makromolekulárnej chémie (ÚMCH) Českej akadémie vied (AV ČR). Výsledky novej štúdie zverejnili v prestížnom vedeckom časopise Science.
Špecializovaná metóda vedcov z ÚMCH
Vedci z Ústavu makromolekulárnej chémie AV ČR (ÚMCH) skúmali vlastnosti vrstvy s pridaným aditívom na molekulárnej úrovni. Popísali mechanizmus zvýšenia účinnosti transportu náboja a životnosti solárneho článku.
Vo svojej práci využili špecializovanú nukleárnu magnetickú rezonančnú (NMR) spektroskopiu. Zaoberali sa štúdiom vrstvy solárneho článku, v ktorej prebieha premena slnečnej energie na energiu elektrickú, teda premena žiarenia na elektrón. Vďaka NMR spektroskopii vedeli výskumníci nájsť zákonitosti a vzťahy medzi dynamikou molekúl, štruktúrou hmoty, jej makroskopickými a úžitkovými mechanickými či fyzikálnymi vlastnosťami.
„V novej štúdii sme pomocou výskumných metód v odbore NMR spektroskopie systematickým porovnaním jednotlivých spektier a pozorovaním zmien v H NMR spektrách potvrdili, že sa po prídavku nového typu aditíva významne zvýšia elektrostatické sily – medzimolekulárne coulombovské interakcie – a dôjde k vzájomnému priblíženiu hlavných zložiek. Tým sa uľahčí výmena a prenos nepárového elektrónu. Spomínané správanie bolo možné popísať iba pomocou H hr-NMR spektroskopie a potvrdené bolo 19F NMR spektroskopiou v pevnom stave,“ opisuje Libor Kobera z oddelenia NMR spektroskopie z ÚMCH.
Minerál perovskit a solárne panely. Zdroj: iStockphoto.com
Praktické využitie
Ďalším prínosom použitia nového aditíva je značné zníženie environmentálnej záťaže v porovnaní s tradičnými aditívami. „Použitý typ aditíva je vysokoúčinný a pri relatívne nízkej koncentrácii umožňuje generovanie značného množstva radikálov. Vďaka tomu, že obmedzuje aj rozsah vedľajších reakcií, zvyšuje životnosť solárnych článkov,“ dodáva Kobera.
S novým aditívom sa zlepšila aj stabilita materiálu, ktorý nie je citlivý na vodu. Na rozdiel od tradičných kremíkových solárnych panelov môžu byť perovskitové flexibilnejšie, dobre tvarovateľné, napríklad do podoby škridiel na strechách, a tiež lacnejšie s výrazne nižšou záťažou pre životné prostredie. „Objav má veľký potenciál. Dá sa predpokladať, že sa v dohľadnej dobe budú perovskitové solárne články s vysokou účinnosťou vyrábať vo väčšej miere,“ konštatuje Kobera.
Spolupráca s Univerzitou v Linköpingu
S oddelením biomolekulárnej a organickej elektroniky Univerzity v Linköpingu spolupracujú vedci z ÚMCH od roku 2019. „Náš spoločný výskum sleduje aktuálne spoločenské výzvy, ako je energetická sebestačnosť či zníženie závislosti od fosílnych zdrojov. Toto je priorita nielen modernej vedy, ale rezonuje celou spoločnosťou. Patrí tiež medzi priority agendy českého predsedníctva EÚ,“ vysvetľuje Jiří Brus, vedúci oddelenia NMR spektroskopie v ÚMCH.
Rozsiahla spolupráca medzinárodného tímu vedcov sa sústredí na objavenie, popísanie a pochopenie procesov, ktoré umožnia ovládnuť a kontrolovať účinnosť premeny solárnej energie, kontrolovať degradačné procesy a predĺžiť stabilitu i životný cyklus solárnych článkov. Výsledky systematického výskumu tímu, ktorý vedie profesor Feng Gao, už zverejnili aj vedecké časopisy Nature Communications, Nature Energy či Joule.
