Wynalazek polskich naukowców może pchnąć do przodu technologię fotowoltaiczną

Ale aby pojedyncze perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne tworzące panele działały perfekcyjnie, należy je ustabilizować, czyli zapewnić wysoką i niemalejącą drastycznie wydajność zamiany energii słonecznej na elektryczną, bez względu na warunki ich pracy. Problemy związane ze zbyt małą stabilnością tego rodzaju ogniw są głównie związane z charakterem materiałów, z jakich są produkowane. Dotyczy to zarówno wytwarzania dobrej jakości fotoaktywnej warstwy perowskitowej, jak i mającej z nią bezpośredni kontakt warstwy transportującej elektrony, która jest zbudowana z półprzewodnikowych tlenków metali.

Do stabilizacji idealnie nadaje się nanokrystaliczny tlenek cynku (ZnO), a zwłaszcza jego kropki kwantowe (QDs), których nową metodę wytwarzania opracowali naukowcy z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. – Powszechnie wykorzystywana metoda nieorganiczna zol-żel prowadzi do silnie zdefektowanych i niestabilnych materiałów ZnO – tłumaczy mgr inż. Zygmunt Drużyński z Politechniki Warszawskiej, który wraz z dr inż. Małgorzatą Wolską-Pietkiewicz i prof. dr hab. inż. Januszem Lewińskim, kierownikiem zespołu, pracował nad wynalazkiem. – Dzięki naszej metodzie niwelujemy te niedogodności i jesteśmy w stanie wytworzyć wysokiej jakości ZnO QDs o niespotykanych jak dotąd cechach – tłumaczy Drużyński.

Jak to się udaje? – Proces syntezy tlenku cynku jest dwuetapowy. Głównym założeniem opracowanej przez nas procedury jest wykorzystanie związków cynkoorganicznych jako prekursorów. Proces tworzenia ZnO QDs zachodzi w temperaturze pokojowej, w wyniku kontrolowanej ekspozycji na powietrze mieszaniny prekursora i wybranych ligandów organicznych (to najczęściej obojętne cząsteczki lub jony ujemne posiadające wolną parę elektronową, które łączą się z atomem centralnym – red.) w postaci zwitterjonów (cząsteczek zawierających równą liczbę grup o przeciwnych ładunkach, w związku z czym same nie są naładowane dodatnio ani ujemnie – red.) – tłumaczy Drużyński. – Cały proces jest kontrolowany termodynamicznie, co wpływa na formowanie się niemal identycznych struktur ZnO – dodaje naukowiec.

– Nasz wynalazek został już wykorzystany we współpracy z grupą prof. Michaela Graetzela z Politechniki w Lozannie, jako komponent właśnie przy tworzeniu ogniw perowskitowych – opowiada Wolska-Pietkiewicz. – Tlenek cynku odgrywa rolę warstwy transportującej elektrony i styka się z warstwą perowskitów. Dzięki temu, że ZnO QDs mają niemal idealnie uformowaną powierzchnię stabilizowaną przez regularnie ułożone ligandy, całe ogniwo jest znacznie stabilniejsze – tłumaczy naukowczyni.

Magister inżynier Drużyński dodaje, że to nie koniec zastosowań tlenku cynku otrzymywanego tą nowatorską metodą metaloorganiczną. Może on służyć np. jako marker lub nośnik leków antynowotworowych – ze względu na niską toksyczność, lub jako element sensorów biochemicznych. Ponadto nanomateriał – czy to w postaci białego proszku, czy jako stabilny koloidalny roztwór oparty na rozpuszczalnikach polarnych i niepolarnych – wykazuje jasną, żółtą luminescencję, i dzięki tym właściwościom można go wykorzystać w przemyśle chemicznym, choćby jako pigment do farb i lakierów lub jako składnik drukowanych zabezpieczeń optycznych.

Czego potrzeba, by zacząć tej jakości tlenek cynku produkować na dużą skalę według polskiego pomysłu? Przede wszystkim konieczne jest przeskalowanie produkcji z fazy laboratoryjnej do skali półtechnicznej, a następnie do skali pilotażowej oraz utrzymanie finansowania podczas dalszego rozwoju technologii. ZnO QDs opracowane w zespole prowadzonym przez prof. Lewińskiego osiągają kolejne w skali światowej rekordy wydajności konwersji energii słonecznej na prąd elektryczny przy zachowaniu dobrej stabilności w czasie pracy, i prace te mogą doprowadzić do znaczącego przełomu w badaniach nad perowskitowymi ogniwami fotowoltaicznymi. Zgłoszony do ochrony patentowej materiał został już bowiem sprawdzony z sukcesem jako istotny funkcjonalny element ogniwa przez szwajcarskich ekspertów z Lozanny. ©℗