Tinaperovskiittisille aurinkokennoille valoisia näkymiä

Perovskiittisia aurinkokennoja pidetään laajalti seuraavan sukupolven aurinkosähköteknologiana. Ne eivät kuitenkaan ole vielä riittävän vakaita pitkällä aikavälillä laajamittaiseen kaupalliseen käyttöön. Yksi syy tähän ovat siirtyvät ionit, jotka aiheuttavat puolijohtavan materiaalin hajoamista ajan myötä.

HZB:n ja Potsdamin yliopiston ryhmä on nyt tutkinut neljän eri, laajalti käytetyn perovskiittiyhdisteen ionitiheyttä ja havainnut merkittäviä eroja. Vaihtoehtoisella liuottimella valmistetuilla tinaperovskiittipuolijohteilla oli erityisen alhainen ionitiheys – vain kymmenesosa lyijyperovskiittipuolijohteiden tiheydestä. Tämä viittaa siihen, että tinapohjaisia perovskiitteja voitaisiin käyttää aurinkokennojen valmistukseen, jotka ovat paitsi todella ympäristöystävällisiä myös erittäin vakaita.

Yli kymmenen vuoden ajan tutkijat ympäri maailmaa ovat tutkineet organometallisia perovskiittipuolijohteita käytettäväksi aurinkosähkössä. Tutkimukset ovat keskittynyt pääasiassa perovskiitti-aurinkokennoihin, jotka sisältävät lyijyä B-kationina perovskiitin ABX3- rakenteessa.

Rakenteen lyijy voidaan korvata tinalla, myrkyttömällä alkuaineella. Vaikka tinapohjaisten perovskiitti-aurinkokennojen hyötysuhde on tällä hetkellä huomattavasti alhaisempi kuin lyijypohjaisten aurinkokennojen, tämä voi johtua siitä, että tina-perovskiittitutkimus on vielä lapsenkengissään, sanoo HZB:n tutkimusryhmän johtaja, tohtori Artem Musiienko ja huomauttaa: "Puhtaasti teoreettisesti ajatellen tinapohjaiset perovskiitti-aurinkokennot voisivat jopa ylittää lyijypohjaisten perovskiitti-aurinkokennojen hyötysuhteen."

Uusi tutkimus tarjoaa vakuuttavan argumentin sille, miksi tinapohjaisiin perovskiitteihin kannattaa kiinnittää enemmän huomiota. Yksi tärkeimmistä syistä perovskiitti-aurinkokennojen tähänastiseen riittämättömään stabiilisuuteen on materiaalissa olevien liikkuvien halogenidi-ionien esiintyminen. Halogenidi-ionien siirtyessä materiaali hajoaa ja aurinkokennon hyötysuhde laskee ajan myötä.

Tutkijat tarkastelivat neljää merkittävintä perovskiittikoostumusta ja mittasivat kvantitatiivisesti ionitiheyttä ja ionien migraatiota materiaalissa.

”Havaitsimme paitsi, että tinapohjaisilla perovskiiteilla on alhaisempi liikkuvien ionien pitoisuus, myös, että niiden hajoamisaika on luonnostaan viisi kertaa hitaampi kuin lyijypohjaisilla perovskiiteilla”, Musiienko sanoo.

Itse asiassa he havaitsivat, että lyijypohjaisella perovskiitilla oli suurin ionitiheys. Lyijy-tina-seoksessa ja tinaperovskiitissa tämä tiheys oli hieman pienempi.

Suuri yllätys oli tinaperovskiittinäyte, joka oli valmistettu käyttämällä vaihtoehtoista liuotinta: "Tämä oli todella odottamatonta: näissä FASnI3- aurinkokennoissa on kymmenen kertaa vähemmän liikkuvia ioneja kuin lyijypohjaisissa aurinkokennoissa. Havaitsimme myös, että ne osoittivat erinomaista vakautta käytön aikana yli 600 tunnin ajan", sanoo Shengnan Zuo, tohtoriopiskelija Musiienkon tiimissä.

”Olemme vakuuttuneita siitä, että tinapohjaisilla perovskiiteilla on valtava potentiaali ja että näiden materiaalien tutkiminen on erittäin hyvä ajatus. Niiden tehokkuutta ja vakautta voidaan parantaa merkittävästi. Tämä tutkimus tasoittaa tietä innovatiivisten, vakaiden ja ionien migraatiota estävien ohutkalvoaurinkokennojen kehittämiselle”, Musiienko sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Perovskiittisille aurinkokennoille pitkäaikainen vakaus

Perovskiittisten aurinkokennojen tehokkuuden parantaminen

Innovatiivisia rajapintoja tehokkaille perovskiittisille aurinkokennoille