przez

Mechanochemiczna inżynieria materiałów perowskitowych oraz nanokrystalicznych form ZnO w aspekcie ich zastosowań w ogniwach fotowoltaicznych najnowszej generacji

Janusz Lewiński (PW)

27.02.2025 (czwartek), godz. 1800 w Gmach Technologii Chemicznej PW, Aula Czochralskiego, ul. Koszykowa 75.

 

Perowskitowe ogniwa słoneczne stanowią przedmiot najżywszego zainteresowania naukowców zajmujących się problemami odnawialnych źródeł energii. Sprawność tych ogniw w ostatnim 15-leciu wzrosła od 3,8% do wartości przekraczającej 26%. Tak znaczącą poprawę sprawności uzyskano nie tylko poprzez modyfikację perowskitowej warstwy aktywnej, ale również poprzez dobranie odpowiedniej warstwy przenoszącej elektrony. Powszechnie stosowane w tych ogniwach halogenkowe pochodne perowskitów syntezowane są zazwyczaj klasycznymi metodami „chemii mokrej” z użyciem roztworów odpowiednich substratów. Choć są to metody dosyć uniwersalne, nie sposób nie zauważyć ich wad, szczególnie dotkliwych w przypadku technologii wykraczających ponad skalę laboratoryjną.

Mechanochemiczne metody preparatywne, które nie wymagają stosowania rozpuszczalników, stanowią w tym przypadku doskonałą alternatywę. Pionierskie badania w tej dziedzinie rozpoczęliśmy w 2015 r. [1], w krótkim czasie wykazując, że synteza wykorzystująca rozdrabnianie i mielenie reagentów w stanie stałym prowadzi do perowskitów pozwalających na wytworzenie ogniw o znakomitych parametrach [2]. Metody  mechanochemiczne pozwalają na znaczące rozszerzenie zakresu składów materiałów perowskitowych, gdyż nie występują w tym przypadku ograniczenia związane z często występującą zbyt małą rozpuszczalnością substratów. W efekcie, ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące perowskity wytworzone mechaniczne charakteryzują się lepszymi parametrami w porównaniu z ogniwami, w których warstwę aktywną tworzą perowskity otrzymane konwencjonalnymi metodami roztworowymi [2]. ZnO, z kolei, ze względu na specyficzne właściwości elektronowe jest często wybieranym składnikiem warstw przenoszących elektrony w perowskitowych ogniwach fotowoltaicznych. W tym przypadku powszechnie stosuje się ZnO otrzymany metodami zol-żel, którego nanostruktura i morfologia nie pozwalają na wytworzenie optymalnej granicy międzyfazowej pomiędzy warstwą ZnO i warstwą aktywną, co wyraża się w obniżeniu zarówno sprawności jak i trwałości ogniwa. Wykorzystując nasze długoletnie doświadczenie w syntezie i modyfikacji związków metaloorganicznych, stosując prekursory metaloorganiczne otrzymaliśmy sferyczne nanokryształy ZnO (tzw. „kropki kwantowe”), których zastosowanie jako składników warstwy przenoszącej elektrony stanowiło przełom w wytwarzaniu perowskitowych ogniw fotowoltaicznych, pozwalając na otrzymanie stabilnych ogniw o sprawności 20,04% [3,4] i 21,9 % [5].

Profesor Janusz Lewiński (Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC) uzyskał stopień doktora nauk chemicznych na Politechnice Warszawskiej w 1989r., stopień doktora habilitowanego w 2001 r., a tytuł profesora w 2007 r.. Od 2007 r. jest kierownikiem Zakładu Katalizy i Chemii Metaloorganicznej na Wydziale Chemicznym PW. Od 2008 r. pracuje równolegle w Instytucie Chemii Fizycznej PAN, gdzie kieruje grupą badawczą zajmującą się kompleksami koordynacyjnymi i materiałami funkcjonalnymi. Łączy umiejętnie badania podstawowe z dziedziny chemii nieorganicznej i metaloorganicznej z aplikacyjnymi, w ostatnich latach głównie dotyczącymi nowych materiałów stosowanych w ogniwach fotowoltaicznych. Jest współautorem ponad 180 artykułów naukowych, czterech rozdziałów w książkach, a także 20 patentów. Prace swoje zamieszcza w czasopismach ogólnochemicznych o najwyższym prestiżu (Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition), czasopismach z dziedziny chemii i inżynierii materiałowej (Advanced Functional Materials, Chemistry of Materials), czasopismach poświęconych chemii nieorganicznej i metaloorganicznej (Inorganic Chemistry, Dalton Transactions, Organometallics). Jest także współautorem popularnych artykułów przeglądowych zamieszczonych w Chemical Reviews, Accounts of Chemical Research i innych. Prace te miały jak dotąd ponad 5400 cytowań. Prowadzi intensywną współpracę badawczą z naukowcami tak prestiżowych uczelni jak Cambridge University, l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Rice University, Universität Göttingen, Universiteit van Amsterdam i innych.

Poczynając od badań podstawowych w dziedzinie chemii metaloorganicznej, w tym badań aktywacji i przemian chemicznych małych cząsteczek takich jak O2, N2, CO2 i H2O w wyniku oddziaływań ze związkami kompleksowymi, skierował w późniejszych latach swoje zainteresowania ku katalizie, a następnie chemii nanomateriałów. W tej ostatniej dziedzinie osiągnął spektakularne wyniki opracowując szereg bezrozpuszczalnikowych, mechano-chemicznych metod otrzymywania perowskitów, a także nanokrystalicznych form tlenku cynku. Materiały te zastosował w perowskitowych ogniwach fotowoltaicznych osiągających sprawności powyżej 20%.

Profesor Lewiński wypromował 40 doktorów i ponad 70 magistrów inżynierów. Jego wychowankowie pracują na polskich i zagranicznych uczelniach, w państwowych instytutach badawczych, a także w międzynarodowych firmach chemicznych.

Za swoje osiągnięcia naukowe prof. Lewiński otrzymał szereg prestiżowych nagród, w tym w 2024 r. najważniejszą polską nagrodę naukową tzn. Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, a ponadto Nagrodę im. Marii Skłodowskiej-Curie Polskiej Akademii Nauk (2008), medal francuskiego Centre National de la Recherche Scientifique (2008), Nagrodę Naukową Politechniki Warszawskiej (2011), Nagrodę im. Wojciecha Świetosławskiego Oddziału Warszawskiego Polskiego Towarzystwa Chemicznego (2023). Ponadto  w 2013 r. został wybrany na członka Europejskiej Akademii Nauk, a w 2015 uzyskał tytuł Fellow of the Royal Society of Chemistry

  1. D. Prochowicz, et al, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 20772.
  2. D. Prochowicz, M. Saski, P. Yadav, M. Gratzel, J. Lewiński,, Acc. Chem. Res. 2019, 52, 3233.
  3. D. Lee, M. Wolska-Pietkiewicz, et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 17163.
  4. R. D. Chavan, M. Wolska-Pietkiewicz, et al, Adv. Fun. Mat., 2022, 32, 2205909.
  5. R. Runjhun, Z. Drużyński, M. Wolska-Pietkiewicz, et al, Energy  Environ. Mater., 2024, 7, e12720.