Sukces energii słonecznej zależy od wydajności, stabilności i trwałości ogniw słonecznych, czyli urządzeń przetwarzających energię fotonów w energię elektryczną. Współczesne ogniwa fotowoltaiczne mają jednak ograniczoną wydajność i potrzebne są nowe rozwiązania, aby ją zwiększyć. W 2022 r. główne postępy w tej dziedzinie dotyczyły perowskitu.

Perowskitowe ogniwo fotowoltaiczne to wschodząca gwiazda w dziedzinie energii słonecznej, która przekształca światło w energię elektryczną. Półprzewodniki perowskitowe do ogniw słonecznych można wytwarzać w temperaturze pokojowej i po niższych kosztach niż krzemowe. Ponadto, w przeciwieństwie do nich, perowskitowe ogniwa słoneczne mogą być elastyczne i półprzezroczyste, co poszerza ich zakres. Co więcej, można je nawet skręcać i składać, co udowodnili niemieccy naukowcy, którzy opracowali warstwowe ogniwo słoneczne wykonane z perowskitu i selenku miedziowo-indowego.

Miniony rok rozpoczął się od rekordu wydajności tandemowego ogniwa słonecznego wykonanego z perowskitu i materiałów organicznych. W przeszłości wydajność takich urządzeń pozostawała w tyle za innymi typami fotokomórek tandemowych. Jednak naukowcom z University of Singapore udało się opracować przełomową warstwę w obwodzie, która zmniejsza napięcie, optykę i straty energii elektrycznej. Ta innowacja zwiększyła wydajność tandemowych ogniw słonecznych perowskit - organicznych nawet o 23,6%.

W połowie roku przekroczono limit wydajności dla innych typów fotokomórek tandemowych, tj. perowskitowo - krzemowych. Oba materiały świetnie ze sobą współpracują, pochłaniając różne długości fal. Krzem świetnie sprawdza się w widmie czerwonym i podczerwonym, a perowskity w zielonym i niebieskim. Szwajcarscy naukowcy osiągnęli wydajność 30,93% dla urządzenia o powierzchni 1 cm². Cztery lata temu wskaźnik ten dla elementów o podobnej architekturze wynosił 25,2%.

Przy wszystkich swoich zaletach elementy perowskitowe są zbyt kruche. Pierwsze próbki, powstałe w latach 2009 - 2012, popsuły się po kilku minutach pracy. W 2017 roku padł rekord. Fotokomórka perowskitowa pracowała przez rok przy stałym oświetleniu w warunkach laboratoryjnych. Nowe urządzenie, zaproponowane w zeszłym roku przez naukowców z Princeton, jest pięciokrotnie trwalsze w tych samych warunkach. Według twórców urządzenie może działać ze zwiększoną wydajnością przez 30 lat.

Przyczynę ograniczonej żywotności perowskitowych ogniw słonecznych ustalili eksperci z Wielkiej Brytanii i Japonii. Należy obwiniać drobne defekty, które tworzą się na powierzchni filmu perowskitowego i prowadzą do fotodegradacji. Co więcej, naukowcy udowodnili, że brak ten można skorygować poprzez zmianę składu chemicznego i sposobu tworzenia filmu.

Nie tylko tandemowe, ale także jednowarstwowe perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne wykazały nowe osiągnięcia w minionym roku. Zespół naukowców z Hongkongu i Wielkiej Brytanii opracował wysoce wydajną i stabilną fotokomórkę o odwróconej strukturze. Do ogniwa słonecznego dodali ferroceny, związki metaloorganiczne, które działają jako interfejs między warstwą pochłaniającą światło a warstwą transportującą elektrony. W efekcie ogniwo osiągnęło rekordową sprawność 25% i przeszło pomyślnie test stabilności Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej.

Sprawność perowskitowego ogniwa fotowoltaicznego, stworzonego przez specjalistów z Korei Południowej, nie jest tak rewelacyjna (tylko 21,4%), ale są one bardzo odporne na wilgoć i temperaturę. Ponadto urządzenie wykazało podwyższoną długoterminową stabilność. Po 1 tys. godzin pracy zachowało 62% sprawności przy 60 - 70% wilgotności i temperaturze pokojowej, nawet bez izolacji ogniw.

Rok 2022 nie był jednak pozbawiony zwycięstw konwencjonalnych, krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Wiosną naukowcy z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej osiągnęli 39,5-procentową wydajność, co jest najwyższym współczynnikiem sprawności spośród wszystkich rodzajów ogniw słonecznych w świetle naturalnym. Urządzenia są zbudowane w oparciu o architekturę odwróconych metamorficznych elementów wielozłączowych (IMM) ze studniami kwantowymi w warstwie środkowej, co znacznie zwiększa ogólną wydajność.