Stabilizujące kropki kwantowe

Technologia fotowoltaiczna rozwija się coraz prężniej. Kolejną fazą jej ewolucji są panele perowskitowe: cieńsze, lżejsze, elastyczniejsze, bardzo efektywne, do tego mogą być nawet półprzezroczyste. Wykorzystują one perowskit – sam z siebie ten naturalnie występujący minerał doskonale pochłania światło, zaś po obróbce laboratoryjnej dodatkowo nabiera zdolności do przewodzenia prądu.

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. ©℗

Mecenasi polskiej nauki: