Perovskitové solární články, technologie, která získává na významu v oblasti obnovitelných zdrojů energie, představují revoluční krok směrem k efektivnějším a dostupnějším fotovoltaickým řešením. V posledních letech se na tuto technologii zaměřily tisíce výzkumníků po celém světě. Tyto články, které jsou na bázi materiálů s perovskitovou strukturou, se ukazují jako konkurenceschopné v porovnání s tradičními křemíkovými solárními články, a to nejen v oblasti účinnosti, ale i v nákladech na výrobu.

Perovskity, jak jsme je začali nazývat, jsou materiály, které se vyznačují svou schopností efektivně absorbovat světlo a konvertovat ho na elektrickou energii. Na rozdíl od křemíkových článků, které jsou náročné na výrobu a vyžadují složité a nákladné procesy, perovskitové články mohou být vyrobeny za mnohem nižší cenu. Mohou být také flexibilní a transparentní, což otevírá nové možnosti pro jejich integraci do různých typů povrchů, od fasád budov až po elektroniku.

Několik výzkumů v této oblasti ukazuje, že perovskitové články mohou dosáhnout podobné účinnosti jako tradiční solární články. Důležitým bodem je i jejich schopnost udržet vysokou účinnost i při nízké intenzitě světla, což je činí atraktivními i pro použití v méně slunečných oblastech. Nicméně jejich dlouhá životnost a stabilita stále představují výzvy. Mnoho odborníků se zaměřuje na zlepšení stability perovskitů a jejich odolnosti vůči vlhkosti a teplotním výkyvům, což by umožnilo širší komerční nasazení.

V posledních letech došlo k zásadnímu pokroku, zejména v oblasti vylepšení materiálových vlastností perovskitů. Vědci zkoumají různé kombinace složek a procesy, které by mohly zlepšit jak účinnost, tak životnost těchto článků. Důraz je kladen na vývoj nových hybridních materiálů, které by mohly nahradit dnes používané olověné sloučeniny, jež jsou problematické z ekologického hlediska.

Kromě výzev spojených s stabilitou a ekologickými problémy, se perovskitové články stále potýkají s výzvami v oblasti masové výroby. Přestože výrobní procesy jsou slibné a náklady jsou nízké, stále se objevují otázky ohledně standardizace výroby a možnosti komercializace na globálním trhu.

V této souvislosti se v posledních letech objevuje stále více studií zaměřených na zlepšení technologií, jako je například metoda vrstvení perovskitu na pružné substráty nebo inovativní metody tisku. Tyto technologie mají potenciál snížit náklady a zvýšit výrobu na masovou úroveň. Významnou roli v tomto procesu hraje i inovace v oblasti materiálů, jako jsou nové druhy elektrod nebo použitelné organické materiály.

I když perovskitové solární články představují fascinující technologii s potenciálem na široké uplatnění, je důležité si uvědomit, že současné výsledky jsou pouze začátkem dlouhodobého procesu, jehož cílem je dosažení vysoké účinnosti, dlouhé životnosti a nízkých nákladů na výrobu. Tento proces se neobejde bez intenzivního výzkumu a spolupráce mezi akademickým sektorem, průmyslem a vládními agenturami, které by měly podpořit technologické inovace v této oblasti.

Kromě samotného zlepšování materiálů a výrobních metod je také kladeno důraz na implementaci těchto článků do stávajících energetických sítí. Jakmile perovskitové články získají stabilitu a účinnost, budou mít obrovský potenciál pro integraci do široké škály aplikací, od solárních panelů na střechách po elektrifikované oblasti rozvojových zemí, kde je dostupnost konvenčních technologií omezená.

Je nutné si však také uvědomit, že technologické inovace, i když vzbuzují velká očekávání, musí být podpořeny odpovědnými ekologickými standardy a regulacemi. Výzvy spojené s ekologickými dopady některých složek perovskitů (například olovo) a nutnost vyvinout technologie recyklace jsou oblasti, na které bude třeba se zaměřit v následujících letech.

Endtext

Jak aditivní inženýrství ovlivňuje vlastnosti perovskitových solárních článků

V posledních letech se výzkum v oblasti perovskitových solárních článků stále více zaměřuje na optimalizaci jejich vlastností prostřednictvím různých aditivních přísad. Tato přísada může zahrnovat jak halogenové, tak i ne-halogenové ionty, které mají zásadní vliv na výkonnost perovskitových tenkých filmů. Jedním z klíčových parametrů, kterými lze ovlivnit vlastnosti těchto materiálů, je zakázaný pás (bandgap). Při přidání halogenových iontů, jako jsou jodidy, bromidy nebo chloridy, je možné široce měnit šířku zakázaného pásu, což umožňuje vytváření různých optických a elektrických vlastností materiálu. Například u směsného halogenového systému FAPbIyBr3−y lze měnit šířku zakázaného pásu v rozsahu od 1,48 do 2,23 eV. Tento jev má zásadní význam pro efektivitu konverze sluneční energie v perovskitových solárních článcích, kde různá složení halogenů umožňují přizpůsobit absorbci světla pro různé vlnové délky.

V experimentálních studiích bylo ukázáno, že manipulace s poměrem halogenových iontů, například přidáním bromidu nebo jodidu, může měnit absorpční hranu materiálu. Například v případě MAPbI3−xBrx perovskitů byla absorpční hrana posunuta z 786 nm na 544 nm, jak se zvyšoval podíl bromu v materiálu. Na druhou stranu, zatímco bromidy a jodidy vykazují značnou flexibilitu v přizpůsobení zakázaného pásu, u chloridů je situace jiná. Zavedení chloridových iontů do perovskitů založených na jodidu je náročné, přičemž nahrazení jodidu chloridem je možné pouze do 3–4 %. Tento omezený rozsah je způsoben značným rozdílem v iontových poloměrech mezi halogeny. Přesto, i v tomto případě, přítomnost nízké koncentrace chloridů zlepšuje pohyblivost nosičů náboje v materiálu, což vede k vyšší efektivitě zařízení.

Dalšími přísadami, které mohou výrazně ovlivnit stabilitu perovskitových solárních článků, jsou ne-halogenové ionty. Mezi tyto ionty patří BF4−, PF6−, HCOO− a SCN−, které nahrazují halogenové ionty na X-pozicích v perovskitových strukturách. Zajímavým příkladem je substituce jodidu SCN− (thiokyanát) v systému MAPb(SCN)2I. Tato substituce nejenže zvyšuje stabilitu perovskitových článků, ale rovněž výrazně zlepšuje jejich krystalinitu a velikost zrn, což se projevuje v zlepšení fotovoltaických vlastností. SCN− ionty, vzhledem k jejich podobné iontové velikosti s jodidy (217 pm oproti 220 pm), jsou schopny účinně nahradit jodidy, čímž přispívají ke stabilitě struktury během procesu výroby.

Přidání Pb(SCN)2 do precursorových roztoků MAPbI3 zlepšuje krystalizaci filmů a zajišťuje větší zrnitost. V procesu žíhání se předpokládá, že ionty SCN− uvolňují plyny, jako je methylamin (CH3NH2) a HSCN, což zlepšuje krystalitu a zvětšuje velikost zrn. Tato změna se odráží ve zlepšení účinnosti perovskitových solárních článků. Studie ukázaly, že zařízení s 5% Pb(SCN)2 jako aditivum dosahují vynikajících fotovoltaických výkonů, přičemž účinnost konverze sluneční energie (PCE) dosahuje hodnoty až 18,42 %, což je s minimálním hysterézním chováním.

Další zajímavý přístup je použití pseudo-halogenových aniontů, jako je HCOO− (formiát), které mohou zaplňovat halogenové defekty v zrnách perovskitových filmů. Formátové anionty mají větší afinitu k jodidovým defektům než jiné anionty, což je způsobeno schopností každé karboxylové skupiny tvořit dvě koordinované vazby Pb–O s cationy olova. Dopingem 2 % formátu do FAPbI3 bylo dosaženo zvětšení velikosti zrn, což vedlo k lepší orientaci krystalů v příznivých směrech pro transport nosičů náboje a potlačení tvorby neaktivní fáze -FAPbI3. Výsledkem tohoto přístupu bylo dosažení rekordní účinnosti perovskitového solárního článku s hodnotou PCE 25,6 %, certifikovanou na 25,2 %, a napětím otevřeného obvodu (VOC) 1,19 V.

V poslední době se stále častěji využívají molekulární anionty, jako jsou BF4− a PF6−, k nahrazení halogenových aniontů v organicko-anorganických hybridních perovskitech. Tento proces, nazývaný iontová výměna, umožňuje vylepšit morfologii povrchu a hranic zrn, což vede ke snížení hustoty defektů a prodloužení životnosti nosičů náboje v materiálu. Tento přístup představuje klíčový krok k optimalizaci perovskitových solárních článků pro komerční aplikace.

Pokud jde o použití rozpouštědel jako aditiv, je zásadní pochopit roli, kterou hrají při kontrole krystalizace perovskitových filmů. Pomocí rozpouštědel jako DMSO (dimethylsulfoxid) lze dosáhnout stabilního mezifáze, která zajišťuje rovnoměrnou krystalizaci. Tato metoda je efektivní pro zajištění vysoké kvality perovskitových filmů a má klíčový vliv na konečné vlastnosti solárního článku. Interakce mezi lone pair elektrony kyslíkového atomu DMSO a Pb2+ ionty v perovskitovém prekurzoru vedou k vytvoření stabilního aduktu, který pomáhá při procesu vytváření vysoce kvalitního filmu.

Jak 2D Perovskitové Vrstva Zlepšuje Stabilitu a Výkon Perovskitových Solárních Baterií?

Při aplikaci vrstvy 2D (CPA)2PbI2Cl2 pasivace na povrch fáze-pure FAPbI3 perovskitového filmu lze účinně pasivovat defekty spojené s nedostatečně koordinovaným Pb2+ (obr. 9.10). CPAH, složený z relativně krátkých organických kationtů, poskytl vynikající přenos děr, což zajišťuje efektivní transport náboje. Pasivační vrstva 2D (CPA)2PbI2Cl2 přispívá k zmírnění rekombinace náboje a urychlení extrakce náboje. Park a kol. (93) vytvořili univerzální ultratenkou 2D perovskitovou vrstvu (5-AVA)2PbI4 (5-AVA = 5-ammoniumvalerová kyselina), která se formovala in situ na rozhraní mezi (FAPbI3)0,88(CS PbBr3)0,12 a CuSCN HTL. Tato vrstva efektivně pasivovala defekty na povrchu perovskitového filmu a zlepšila stabilitu zařízení.

Pro překonání problémů spojených s anorganickými HTM, jako je NiOx, byla do rozhraní mezi perovskitem a NiOx vrstvou zavedena 2-aminoindan-hydrochloridová (AICl) vrstva, která vytvořila 2D/3D perovskitovou heterojunkci. Tato struktura prokázala schopnost regulovat krystalizaci 3D perovskitu, zlepšit zarovnání energetických hladin a zlepšit extrakci a transport nosičů v p-i-n struktuře PSC. Dlouhodobá stabilita a účinnost PSC s 2D/3D heterojunkcí byla dramaticky zlepšena.

Rozhraní mezi perovskitem/ETL a perovskitem/HTL jsou známá tím, že obsahují stovkykrát více defektů než samotný perovskit. Tato rozhraní však neomezují pouze defekty; interfacialní napětí, iontová difuze a nesoulad energetických hladin mezi těmito vrstvami také brání vývoji perovskitových zařízení. Efektivní metody pro překonání těchto problémů jsou klíčové pro dosažení vysoce výkonných perovskitových zařízení. Jak ukazuje obrázek 9.14, molekula HTMP, která obsahuje imino (-NH) a hydroxyl (-OH) skupiny, působí jako bifunkční modifikátor rozhraní. Molekuly HTMP se mohou navázat na iodidy (I-), formamidinium (FA) a methylammonium (MA) ionty na rozhraní a GB perovskitu, čímž účinně pasivují defekty. Kromě toho molekuly HTMP mohou zpomalit proces krystalizace perovskitových filmů, což vede k vysoce kvalitním filmům s větší velikostí zrn.

Byla také vyvinuta strategie manipulace závislé na hloubce, která umožňuje modulaci defektů na rozhraní (např. horní povrch a skrytý rozhraní) pomocí binárního směsi guanidiniového jódu a 4-tert-butyl-fenylmethylammonium jodidu, označeného jako GuaI a tBPMAI. GuaI díky své vysoké pronikavosti do perovskitového filmu může pronikat až k zakrytým rozhraním, zatímco tBPMAI zůstává na povrchu díky omezené pronikavosti, čímž zajišťuje modifikaci povrchových defektů. Tato metoda je příznivá pro snížení rekombinačních ztrát a maximalizaci celkového výkonu zařízení.

Další výzkum ukázal, že povrchová pasivace perovskitů halogenidů pomocí různých materiálů je efektivní přístup pro stabilizaci perovskitů proti vlhkosti, teplu a světlu, čímž se udržuje jejich strukturální integrita. Použití strategie difúze kationtů na povrchu umožňuje pasivačním molekulám proniknout na dno perovskitového filmu, což vede k synergistické modifikaci obou rozhraní.

Kromě těchto technik byly také zkoumány možnosti zlepšení rozhraní 2D/3D perovskitových heterojunkcí. Výhody této struktury spočívají v kombinaci vysoké účinnosti 3D perovskitů a dlouhodobé stability 2D perovskitů. Zvláště důležitým pokrokem v poslední dekádě byla optimalizace rozhraní mezi 2D a 3D perovskity. Dlouhými molekulami, jako je BABr, rozpuštěnými v isopropylalkoholu a spinovanými na vrcholu 3D perovskitových filmů, vzniká tenká 2D pasivační vrstva. Tato vrstva vykazuje větší energetickou mezeru, což ji činí efektivní blokací elektronů a potlačuje mezifázovou rekombinaci náboje. Po aplikaci 2D/3D heterojunkcí došlo k nárůstu účinnosti zařízení z 21,11% na 22,54%.

Jak efektivně vést rozhovory s klíčovými zainteresovanými osobami a proč jsou tak důležité?
Jak Alt-right kritizuje západní liberální ideály individualismu a svobody?
Jak se vyrovnat s minulostí, která nikdy nezmizí?
Jaký význam má tajemství ve Verdew?
Jak studený vzduch a stagnace krve ovlivňují naše zdraví?