Jak deriváty piperidinu a pyridinu ovlivňují strukturu a optické vlastnosti perovskitových solárních článků?

V roce 2018 Kanatzidis et al. poprvé představili syntézu perovskitů typu 2DDJ na bázi 3-(aminomethyl)piperidinu (3AMP) a 4-(aminomethyl)piperidinu (4AMP) a jejich aplikaci jako světelných kolektorů v perovskitových solárních článcích (PSC). Vliv umístění funkční skupiny na strukturu perovskitu byl podrobně zkoumán. Strukturní rozdíl mezi 3AMP a 4AMP spočívá v umístění skupiny -CH2NH3+, což významně ovlivňuje krystalovou strukturu vytvářením různých vzorců vodíkových vazeb mezi aminoskupinami a oktaedrem [PbI6]4-. Tento rozdíl se projeví ve deformaci anorganické vrstvy, která má značný dopad na optické a elektronické vlastnosti.

Jak ukazují obrázky, barva krystalů řady 3AMP postupně tmavne od n = 1 (červená) až po n = 4 (černá). Stejný trend je pozorován u 4AMP, přičemž krystaly začínají světlejšími barvami než členové 3AMP v n = 1 (oranžová) a n = 2 (červená). U krystalů s n = 2 bylo navrženo, že kationty 3AMP a 4AMP vytvářejí vodíkové vazby s terminálním I- a mostovým I-, což vede k různému stupni deformace krystalové struktury. Důsledky těchto deformací se projevují v rozdílech v úhlu vazby Pb-I-Pb, který je rozdělen do dvou typů – podél nejdelší osy krystalu a podél rovníkové orientace.

Další zajímavou vlastností je rozdíl ve vrstvení mezi 3AMP a 4AMP, přičemž vrstva 3AMP má menší mezery než vrstva 4AMP. Tento rozdíl má kladný vliv na elektronickou strukturu perovskitu. Analýza absorpčních spekter a fotoluminiscenčních (PL) spekter potvrzuje, že zakázaná mezera obou perovskitů se zmenšuje s rostoucí tloušťkou kvantových vrtulí (QWs), což znamená lepší optickou aktivitu a potenciál pro zvýšení účinnosti solárních článků.

Pokud jde o aplikace, perovskity na bázi 3AMP a 4AMP vykazují odlišné optické vlastnosti. DJ typ perovskitů na bázi 3AMP má širší absorpční pásmo a červený posun v luminescenční energii ve srovnání s RP typem perovskitů. To vede k vyšší účinnosti konverze energie u (3AMP)(MA)3Pb4I13, která dosahuje PCE 7,32 %, což je výrazně více než u 4AMP-based perovskitů, kde je PCE nižší než 5 %. Tento výzkum přinesl nový pohled na studium DJ typu PSCs a posléze se Kanatzidis et al. zaměřili na studium kompozitních kationtů ve formě FA+, což vedlo k ještě lepší kontrole nad strukturalizací a optickými vlastnostmi perovskitů. Smíšením FA+ do perovskitu se zlepšuje zakázaná mezera a zvyšuje se optická aktivita, což prokázaly i DFT výpočty a fotoluminiscenční spektroskopie.

Všechny tyto studie ukazují, že pečlivé navrhování a výběr organických ligandů hraje klíčovou roli při optimalizaci struktury a výkonu perovskitových solárních článků. Vědomí o tom, jak změny v organických složkách ovlivňují anorganickou kostru perovskitu, poskytuje užitečné nástroje pro zlepšení světelných a elektrických vlastností těchto materiálů, čímž otevírá cestu k vysoce efektivním perovskitovým fotovoltaickým zařízením.

Jak regulovat fáze a napětí pro zlepšení výkonu a stability perovskitových solárních článků

Perovskitové solární články (PSC) se v posledních letech etablovaly jako jedno z nejslibnějších řešení v oblasti fotovoltaiky díky své vysoké účinnosti a relativně nízkým nákladům na výrobu. Nicméně, jejich komerční úspěch závisí na vyřešení problémů spojených s jejich stabilitou a dlouhověkostí. Jedním z klíčových faktorů, který ovlivňuje výkon a stabilitu těchto článků, je řízení fázových přechodů a napětí v materiálech používaných pro výrobu perovskitových vrstev. Tento text se zaměřuje na poslední pokroky v této oblasti a zkoumá, jak optimalizace těchto parametrů může přispět k zlepšení celkových vlastností perovskitových solárních článků.

Napětí v perovskitových solárních článcích vzniká v důsledku různých faktorů, jako jsou mrazivý efekt, napětí mezi vrstvami nebo změny v mikrostruktuře materiálů během jejich aplikace. Příkladem takového napětí je mechanické napětí, které vzniká mezi vrstvami při expanzi a kontrakci perovskitu v průběhu jeho života. Když se napětí neřeší, může vést k rychlému zhoršení výkonu, a dokonce k rozpadu celého článku. Moderní výzkum ukazuje, že dosažení rovnováhy mezi různými napěťovými stavy může dramaticky zlepšit stabilitu i účinnost článků.

Jednou z nejnovějších strategií pro zlepšení stability je zavedení flexibilních mezivrstev, které dokážou zmírnit mechanické napětí a umožnit perovskitovým materiálům, aby si zachovaly svou strukturu při extrémních podmínkách. Tento přístup ukazuje výrazné zlepšení v dlouhodobé stabilitě perovskitových solárních článků, což je klíčové pro jejich praktické nasazení. Zahrnutí flexibilních interlátků mezi vrstvy perovskitu může zajistit, že materiál bude schopen lépe zvládat teplotní cykly a mechanické namáhání bez trvalého poškození struktury.

Vědci také experimentují s dopanty a aditivy, které umožňují stabilizaci fázových přechodů a zlepšují výkon solárních článků. Například přídavek protických aminníových kyselých iontových kapalin pro regulaci přechodů fáze FAPbI3 vedl k významnému zlepšení účinnosti těchto solárních článků. Tento přístup ukazuje, jak složité chemické inženýrství a výběr správného materiálu mohou mít přímý vliv na stabilitu a výkon perovskitových solárních článků.

Kromě mechanických a chemických aspektů je třeba zohlednit i ekologický dopad při výrobě a recyklaci perovskitových solárních článků. Téma ekologické bezpečnosti a trvanlivosti materiálů v perovskitových solárních článcích je stále aktuální a vyžaduje další výzkum. Jakmile budou vyvinuty stabilní a ekologicky šetrné materiály pro tyto solární články, bude možné je široce komercializovat a začlenit do udržitelných energetických řešení.

V neposlední řadě je důležité zohlednit pokroky v oblasti inženýrství rozhraní mezi vrstvami perovskitových solárních článků. Inženýrství rozhraní, tedy optimalizace interakce mezi jednotlivými vrstvami, může mít zásadní vliv na elektronovou mobilitu, efektivitu přenosu náboje a stabilitu celé struktury. Významným krokem vpřed bylo zavedení nových materiálů pro transport děr, které umožňují lepší absorpci světla a efektivní generování a transport elektronů a děr.

Je nezbytné, aby výzkum v oblasti perovskitových solárních článků pokračoval v integraci těchto pokročilých technologií. I když byly dosaženy významné pokroky, stále je před námi spousta výzev, které je třeba překonat, aby se z těchto technologií stala běžně používaná a dlouhodobě stabilní řešení pro výrobu čisté energie.

Jaké jsou klíčové aspekty sekvenční krystalizace perovskitů a jejich vliv na kvalitu solárních článků?

Tento sekvenční proces krystalizace má zásadní vliv na vlastnosti perovskitových filmů, především na kvalitu jejich morfologie a krystalinitu. Pokud dochází k rychlé krystalizaci, může být tento proces nežádoucí, neboť příliš rychlý přechod mezi fázemi často vede k nežádoucím defektům a snížené účinnosti filmů. Naopak, pomalá krystalizace během formování filmu, zejména při nižších teplotách, může potlačit tvorbu potřebných fází, což vede k horší struktuře.

Sekvenční krystalizace umožňuje lepší transport hmoty v inkoustu během jeho sušení, což usnadňuje vznik kvalitních krystalů a tím i lepší výkon solárních článků. Naopak, v případě příliš rychlé krystalizace během výrobního procesu, zvláště při použití rychlých metod v prostředí, kde je vlhkost, může docházet k potlačení těchto pozitivních efektů. Tato vlhkost ztěžuje tvorbu stabilních perovskitových fází, což se následně projevuje v nízké kvalitě výsledného filmu.

Velmi důležitým faktorem pro dosažení kvalitní krystalizace je i teplota. Například při teplotách kolem 25 a 130°C, kdy krystalizace fáze CsPbI2Br není pozorována během formování filmu, může být nutné použít následné tepelné zpracování pro dosažení správné struktury. Avšak i v těchto případech může být potřeba více času na kvalitní reakci, což často vede k horší morfologii a nižší krystalinitě výsledného filmu.

Dalším faktorem ovlivňujícím krystalizaci je použití různých přísad, například iontových kapalin. Tyto kapalinové přísady mohou regulovat růst krystalů a zpomalovat krystalizační procesy, čímž umožňují lepší kontrolu nad velikostí zrn a redukcí defektů, což je klíčové pro zajištění vysoké kvality perovskitového filmu. Jak ukázaly studie, přítomnost PbI2–EMIMHSO4 intermediatů účinně zpomaluje krystalizaci a umožňuje lepší transport hmoty, což vede k větším zrnům a nižší koncentraci defektů.

Nucleace, nebo-li vznik krystalů, je dalším klíčovým faktorem pro úspěšnou krystalizaci perovskitů. Nucleace může probíhat dvěma hlavními způsoby: homogenně nebo heterogenně. Homogenní nucleace nastává spontánně, kdy vznikají krystalové jádra ve vysoce nasyceném roztoku. Heterogenní nucleace je podporována přítomností cizích částic nebo povrchů, což snižuje energetickou bariéru pro vznik krystalů. Tento jev může být výhodný, pokud krystaly vznikají na povrchu substrátu, kde se krystalizace usnadňuje.

Je nutné mít na paměti, že všechny tyto procesy jsou vzájemně propojené a jejich optimální řízení je zásadní pro výrobu kvalitních perovskitových filmů, které mohou být využity ve vysoce efektivních solárních článcích. Pomalý a kontrolovaný proces krystalizace zajišťuje, že film bude mít správnou strukturu, což přímo ovlivňuje jeho energetickou účinnost a dlouhověkost. Jakákoli změna v tomto procesu, například příliš rychlé sušení nebo nadměrná vlhkost, může negativně ovlivnit výslednou kvalitu.