Nowatorska metoda syntezy cynowych perowskitów naukowców z W11

Zespół naukowców z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki zaproponował innowacyjne podejście do wytwarzania perowskitów na bazie cyny. Kluczowym elementem tego rozwiązania jest nowa metoda syntezy jodku cyny(II). Wyniki swoich prac opublikowali w czasopiśmie ACS Energy Letters.

Autorami tych unikalnych badań jest trzech badaczy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej: Wiktor Żuraw, prof. Robert Kudrawiec oraz dr inż. Łukasz Przypis, a także dr Dominik Kubicki z Uniwersytetu w Birmingham. Wspólnie opisali oni wyniki swoich prac w artykule „Carboxylic Acid-Assisted Synthesis of Tin(II) Iodide: Key for Stable Large-Area Lead-Free Perovskite Solar Cells” („Synteza jodku cyny(II) wspomagana kwasem karboksylowym: klucz do stabilnych bezołowiowych perowskitowych ogniw słonecznych”), który opublikowano w ACS Energy Letters.

Nowe spojrzenie na bezołowiowe perowskity

Chociaż perowskitowe ogniwa słoneczne są stosunkowo młodą technologią, to już wiadomo, iż posiadają ogromny potencjał rozwojowy. Dlatego intensywne prace wielu zespołów badawczych z całego świata nad tym rozwiązaniem stawiają te ogniwa na wczesnym etapie gotowości do komercjalizacji. Przewiduje się, iż w najbliższych latach perowskity mogą zająć istotne miejsce na rynku fotowoltaicznym, stanowiąc alternatywę dla konwencjonalnych technologii krzemowych.

Zanim jednak to nastąpi, musi zostać rozwiązanych kilka kluczowych problemów.

– Jednym z nich są toksyczne adekwatności związków ołowiu, który jest powszechnie stosowany w obecnych perowskitach – mówi dr inż. Łukasz Przypis z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

– Obiecującą alternatywą są perowskity oparte na cynie, które otwierają nowe możliwości zastosowań – dodaje.

Nasz naukowiec dodaje jednak też, iż największym wyzwaniem cynowych perowskitów jest ich niestabilność, wynikająca z szybkiego utleniania jonów Sn²⁺ do Sn⁴⁺. Dlatego badacze z PWr, wspólnie z dr. Dominikiem Kubickim z Uniwersytetu w Birmingham, zdecydowali się sprawdzić, co można w tej kwestii zrobić.

– Kluczowym składnikiem perowskitów na bazie cyny jest jodek cyny(II), który ze względu na swoją chemiczną naturę, choćby w komercyjnej formie zawiera zanieczyszczenia cyną na IV stopniu utlenienia – mówi dr inż. Łukasz Przypis.

To właśnie w tym należy upatrywać przyczyny wielu problemów związanych z cynowymi perowskitami.

– Dlatego postanowiliśmy rzucić nowe światło na ten problem, opracowując własną metodę syntezy jodku cyny(II), będącą nowatorskim połączeniem kilku rozwiązań z chemii cyny – dodaje dr Przypis.

To jednak nie koniec zalet tej metody, bowiem pozwala ona też na znacznie szybszą i prostszą syntezę, umożliwiając wytwarzanie jodku cyny już w docelowym układzie rozpuszczalników, z którego będzie wytwarzany perowskit.

– To rozwiązanie jest szybkie niczym wyścigówka, jeżeli miałbym ją opisać w porównaniu do klasycznej metody syntezy – tłumaczy dr Łukasz Przypis.

Nowy sposób syntezy, wspomaganej nanocząstkami cyny modyfikowanymi kwasami karboksylowymi (CAAS – Carboxylic Acid-Assisted Synthesis), pozwala jednocześnie stabilizować i zwiększać czystość jodku cyny(II).

– Nasze tusze perowskitowe wykazują znacznie większą odporność na utlenianie – opowiada Wiktor Żuraw z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

– Brak obecności szkodliwych jonów Sn⁴⁺ w naniesionych warstwach perowskitu prowadzi do istotnej poprawy wydajności i stabilności wytworzonych ogniw słonecznych – dodaje.

Porównanie stabilności na utlenianie tuszu przygotowanego metodą CAAS z komercyjnym odpowiednikiem, fot. PWr

Pierwszy na świecie

Młodzi badacze z W11 mają na swoim koncie jeszcze jedno ważne osiągniecie. Chodzi o wytworzenie pierwszego na świecie całkowicie bezołowiowego perowskitowego modułu słonecznego. Cały proces, który przeprowadzili wspólnie z naukowcami z Hiszpanii, opisali w pracy „Large-Area, Flexible, Lead-Free Sn-Perovskite Solar Modules” („Wielkopowierzchniowe, elastyczne, bezołowiowe perowskitowe moduły słoneczne”), która została opublikowana w październiku 2023 r. w ACS Energy Letters.

Moduł wykonany przez naukowców, fot. PWr

– Perowskity na bazie cyny, oprócz problemów z utlenianiem, mają całkowicie inną kinetykę krystalizacji w porównaniu do perowskitów ołowiowych – mówi Wiktor Żuraw, pierwszy autor pracy.

Stąd dla polskich i hiszpańskich badaczy dużym wyzwaniem było uzyskanie jednorodnej warstwy na dużej powierzchni. – Udało się ją uzyskać dzięki połączeniu quasi-dwuwymiarowej kompozycji perowskitu z odpowiednimi dodatkami – wyjaśnia Wiktor Żuraw.

***

Obie prace naukowców z W11 są ze sobą ściśle powiązane i otwierają nowe kierunki rozwoju w badaniach nad perowskitami na bazie cyny. Materiały te charakteryzują się interesującymi adekwatnościami optoelektronicznymi, co umożliwia ich zastosowanie, np. w perowskitowych tandemowych ogniwach słonecznych czy laserach.

Badania do obu publikacji powstały w ścisłej współpracy naukowców z Katedry Inżynierii Materiałów Półprzewodnikowych W11, Saule Research Institute oraz Saule Technologies.

Źródło: Politechnika Wrocławska