Chińscy naukowcy rozwiązali zagadkę powłok perowskitowych i zdobyli multimilionowe finansowanie

Oto jedna z tych historii, które boleśnie udowadniaja mi, jak bardzo różna jest rzeczywistość chińska od tej mojej (wciąż, mimo wszystko), polskiej. U nas twórca technologii musi walczyć o tę technologię z niuczciwymi inwestorami, tracąc czas, energię, a przede wszystkim dystans wobec konkurencji. W Chinach technologie stanowią przedmiot troski państwa, u nas są państwu obojętne, poza sytuacjami, kiedy z twórcą można zrobić sobie zdjęcie i wykorzystać taki incydent dla budowania własnego wizerunku.

Chiński startup Changchun Riyao Optoelectronics pozyskał finansowanie Pre-A rzędu dziesiątek milionów juanów na rozwój materiału dla ogniw perowskitowych. Spółka chce rozwiązać problem, który odróżnia obiecujące wyniki laboratoryjne od wielkoskalowych, seryjnie produkowanych paneli: równomierne nanoszenie bardzo cienkiej warstwy kierującej przepływem ładunku elektrycznego.

Riyao powstało w 2023 roku na bazie prac zespołu Qin Chuanjianga z Changchun Institute of Applied Chemistry, należącego do Chińskiej Akademii Nauk. Nową rundę sfinansowały Tianchuang Capital i Jilin Provincial Sci-Tech Investment Fund. Przedsiębiorstwo nie podało dokładnej wartości inwestycji, dlatego wiadomo jedynie, iż chodzi o kwotę liczona w dziesiątkach milionów juanów.

Firma nie buduje na razie wielkiej fabryki paneli. Koncentruje się na materiale SAM, urządzeniu do kontroli cienkich warstw podczas produkcji oraz na pracach nad własnymi modułami perowskitowymi. Taki wybór ma sens: w technologii, która wciąż wychodzi z laboratorium, o powodzeniu często decyduje jakość jednej pozornie niepozornej warstwy.

Co dzieje się wewnątrz ogniwa

Ogniwo fotowoltaiczne zamienia energię światła w prąd. W ogniwie perowskitowym światło pochłania warstwa perowskitu, czyli materiału o określonej strukturze krystalicznej. Energia fotonów wybija w nim elektrony z ich miejsc. W ten sposób powstają dwa nośniki ładunku: elektron oraz dziura.

Dziura nie jest dosłownym otworem. To miejsce, w którym brakuje elektronu; w układzie elektrycznym zachowuje się jak nośnik o ładunku dodatnim. Żeby urządzenie mogło oddać prąd, elektrony i dziury muszą zostać gwałtownie rozdzielone i odprowadzone do dwóch różnych elektrod. jeżeli połączą się z powrotem wewnątrz materiału, część energii światła przepada, zamiast trafić do obwodu.

W tym procesie uczestniczą bardzo cienkie warstwy pomocnicze. Jedna z nich, warstwa transportu dziur, odbiera dziury z perowskitu i prowadzi je do elektrody. Jednocześnie powinna ograniczać wędrówkę elektronów w przeciwną stronę. Można porównać ją do “bramkarza” w drzwiach klubu: ma przepuszczać adekwatny rodzaj ładunku, a zatrzymywać drugi.

Monowarstwa grubsza od atomu, cieńsza od włosa

SAM to akronim od angielskiego Self-Assembled Monolayer, czyli samoorganizującej się monowarstwy. Cząsteczki takiego materiału nanosi się na podłoże z roztworu. Ich część wiąże się z powierzchnią przewodzącego szkła, a pozostała część ustawia się w podobnym kierunku. Tworzą wtedy uporządkowaną warstwę o grubości jednej cząsteczki.

W przypadku materiału Riyao warstwa ma około 2–3 nanometrów. Jeden nanometr to miliardowa część metra; ludzki włos jest od niej grubszy o dziesiątki tysięcy razy.

Problem zaczyna się, gdy taki film trzeba nanieść nie na mały kawałek szkła w laboratorium, ale na powierzchnię dużego modułu. Cząsteczki mogą zbijać się w skupiska, pozostawiać puste miejsca albo układać się nierówno. Później nierówności przenoszą się na warstwę perowskitu. W małym ogniwie ich uniknięcie jest znacznie łatwiejsze niż w module, którego powierzchnia jest wielokrotnie większa.

Zespół Qin Chuanjianga zaprojektował cząsteczkę SAM tak, aby lepiej rozpraszała się w roztworze i nie tworzyła nieuporządkowanych skupisk. Pomagają w tym elementy budowy przestrzennej cząsteczki, które ograniczają jej „sklejanie się” z sąsiadkami. Materiał ma również dwie stabilne struktury rodnikowe, czyli fragmenty z niesparowanymi elektronami. To nie jest dodatkowy składnik dokładany do ogniwa, ale cecha samej cząsteczki. Według badań zespołu taka konstrukcja ułatwia transport dziur przez monowarstwę.

Mniej etapów na linii produkcyjnej

W wielu procesach produkcji perowskitów używa się tlenku niklu, oznaczanego NiOx, jako warstwy transportu dziur. Na nim umieszcza się następnie warstwę pasywującą albo sam perowskit. Pasywacja oznacza tu ograniczanie drobnych defektów materiału, które mogłyby pochłaniać ładunek i obniżać wydajność ogniwa.

Riyao deklaruje, iż jego materiał SAM można położyć bezpośrednio na przewodzącym szkle ITO, przed warstwą perowskitu. W tym układzie NiOx nie jest potrzebny, co pozwala pominąć etap procesu. Według szacunków spółki nakłady na linię produkcyjną mogłyby być niższe o 20 proc., a koszt wykonania ogniwa — o 10 proc. Warto zachować ostrożność: są to deklaracje firmy odnoszące się do projektowanego procesu, a nie wyniki wielkoseryjnej produkcji potwierdzone przez niezależny audyt.

Riyao chce też mierzyć jakość SAM bezpośrednio w trakcie wykonywania ogniwa. Określenie in situ oznacza, iż próbka nie musi być zdejmowana z miejsca procesu i przewożona do osobnego laboratorium. Opracowywane urządzenie wykorzystuje metody elektrochemiczne: kontroluje napięcie i obserwuje odpowiadający mu prąd. Pozwala to ocenić, jak gwałtownie przez warstwę porusza się ładunek oraz czy materiał utrzymuje adekwatności podczas pracy.

Badacze zastosowali w pracy naukowej technikę łączącą skaningową mikroskopię komórki elektrochemicznej z woltamperometrią cienkowarstwową. Nazwa jest złożona, ale zasada prosta: niewielka sonda bada fragment niezwykle cienkiego filmu, a zmiana prądu przy zmienianym napięciu ujawnia tempo transportu ładunku i stabilność materiału. Według Chińskiej Akademii Nauk nowy materiał transportował ładunek ponad dwa razy szybciej niż porównywane rozwiązania tradycyjne.

Wynik 34,2 proc. trzeba czytać uważnie

Współpraca zespołu z LONGi (światowy lider fotowoltaiki) przyniosła tandemowe ogniwo perowskitowo-krzemowe o sprawności 34,2 proc., potwierdzonej przez amerykańskie National Renewable Energy Laboratory (NREL). Ogniwo tandemowe wykorzystuje dwa materiały pochłaniające światło. Górna warstwa perowskitowa wykorzystuje część promieniowania, a krzem pod nią — inną część. Dzięki temu można pozyskać więcej energii z tego samego światła niż w urządzeniu z jedną warstwą pochłaniającą.

Liczba 34,2 proc. dotyczy jednak testowego ogniwa tandemowego o powierzchni 1 cm², a nie panelu dachowego. W tej samej pracy małe ogniwo perowskitowe osiągnęło ponad 26,3 proc., zaś mikromoduł o powierzchni 10,05 cm² — 23,6 proc. Badanie podało też, iż małe ogniwa zachowały ponad 97 proc. początkowej wydajności po 2 tys. godzin śledzenia punktu maksymalnej mocy w temperaturze 45°C. To obiecujący rezultat laboratoryjny, ale nie zastępuje wieloletnich testów gotowych, dużych modułów w warunkach zewnętrznych.

Właśnie w tej różnicy mieści się sens przedsięwzięcia Riyao. Spółka chce sprzedawać materiał i narzędzia kontrolne firmom, które muszą przenieść dobre wyniki małych próbek na znacznie większe powierzchnie. Według 36Kr Riyao współpracuje już z ponad setką firm i instytucji badawczych w Chinach oraz poza nimi.

Firma planuje pilotażową linię zdolną wytwarzać około 100 kg materiału SAM rocznie oraz testową linię dla większych modułów. W pierwszej kolejności rozważa fotowoltaikę montowaną w pojazdach, a także zastosowania lotnicze i kosmiczne, gdzie szczególnie liczy się wysoka wydajność przy niewielkiej masie. Rozwój materiałów i narzędzi produkcyjnych wpisuje się w wyzwanie przejścia od rekordów laboratoryjnych do paneli wytwarzanych na dużą skalę. Uzupełnia go także rozwój inwestycji w urządzenia dla produkcji ogniw tandemowych.

O finansowym powodzeniu startupu przesądzi nie sam rekord sprawności, ale możliwość powtarzalnego nakładania ultracienkiej warstwy na dużej powierzchni. o ile zapowiadany materiał i pomiar na linii rzeczywiście ograniczą liczbę wad, mogą ułatwić producentom budowę tańszych i bardziej jednolitych modułów perowskitowych.

Źródła:

• 36Kr / HardKr: Solving Perovskite Material Coating Difficulties, CAS-affiliated Enterprise Completes Tens of Millions of Yuan Pre-A Round Financing, 4 września 2026
• Chińska Akademia Nauk: nowy materiał poprawia parametry ogniw perowskitowych, 30 czerwca 2025
• National Natural Science Foundation of China: informacja o badaniu zespołu Qin Chuanjianga, 8 lipca 2025
• Science: Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics, 26 czerwca 2025

Leszek B. Ślazyk

e-mail: [email protected]

© www.chiny24.com