Jak iontová migrace ovlivňuje perovskitové solární články?

Iontová migrace je klíčovým procesem, který ovlivňuje optoelektronické vlastnosti perovskitových materiálů, zejména v kontextu jejich aplikace v solárních článcích. Tento proces může být příčinou nežádoucího chování, jako je hystereze a degradace výkonu zařízení. K pochopení mechanizmů, které stojí za iontovou migrací, je nezbytné detailně prozkoumat různé aspekty tohoto jevu a techniky, které umožňují jeho charakterizaci.

Ionty v perovskitových materiálech, jako je MAPbI3, mají tendenci migrovat pod vlivem externích elektrických polí nebo světelných pulzů. Výzkum ukazuje, že migrace iontů se nejčastěji soustřeďuje na hranicích zrn perovskitu, což vede k heterogenní distribuci elektrického pole a elektrostatických dvojvrstv (EDL). Tyto jevy mohou způsobit nárůst hystereze při měření elektrických charakteristik, zejména v oblastech, kde je iontová migrace rychlejší, jako jsou hrany zrn.

Další výzkumy, například práce Huang et al., se zaměřily na měření hysteréze lokálního proudu v hranicích zrn a povrchu materiálu. Jejich výsledky ukazují, že ionty migrují rychleji v oblastech s menšími zrnky perovskitu, což potvrzuje, že velikost zrn má přímý vliv na rychlost migrace iontů. Naopak, u monokrystalů, které nemají hranice zrn, nebyla zaznamenána žádná hystereze, což naznačuje, že iontová migrace v těchto materiálech je zanedbatelná.

Zároveň je nutné si uvědomit, že iontová migrace v perovskitových materiálech není způsobena pouze migrací samotných iontů. K dalším faktorům, které mohou přispět k vytvoření cest pro migraci iontů, patří lokální distorze mřížky, akumulace nábojů, nerovnoměrné pnutí, rozpuštěné nečistoty, zavedení cizích atomů nebo změkčení mřížky vlivem osvětlení. Například u struktury MAPbI3 v mesoporézní matrici TiO2 je až 70 % materiálu značně nepořádné, což může mít vliv na výkon zařízení.

Z hlediska charakterizace iontové migrace existují dvě hlavní metody, které jsou široce používány. První z nich je zobrazovací technika, která umožňuje vizualizovat proces migrace iontů. KPFM je jednou z nejpoužívanějších metod, která měří změny ve funkci práce na povrchu perovskitového filmu. Tento nástroj odhaluje, jak se migrace iontů může projevovat změnami v dopingu (n- nebo p-doping), které vznikají díky iontovému driftu. Další techniky zahrnují optickou mikroskopii a energetickou dispersní rentgenovou analýzu (EDX), které poskytují cenné informace o migraci jodidových iontů v MAPbI3 perovskitu při aplikaci vnějšího napětí.

Mikroskopie fototermálně indukované rezonance (PTIR) je dalším užitečným nástrojem, který kombinuje infračervenou absorpční spektroskopii s AFM. Tento přístup umožňuje získat podrobné informace o distribuci chemických skupin v perovskitovém materiálu a sledovat, jak světelná excitace ovlivňuje pohyb iontů a generování defektů.

Pochopení těchto jevů je klíčové pro zlepšení stabilnosti a účinnosti perovskitových solárních článků. Pokračující výzkum v oblasti iontové migrace v těchto materiálech by mohl vést k vytvoření nových metod pro mitigaci negativních účinků migrace iontů a tím k dosažení lepších výkonů solárních článků na bázi perovskitů.

Jak zlepšení struktury perovskitu ovlivňuje migraci iontů a stabilitu solárních článků?

Migrace iontů je jedním z klíčových faktorů, které ovlivňují stabilitu perovskitových solárních článků (PSC). Ionty, které se pohybují pod vlivem teploty a světla, mohou způsobit degradaci perovskitových materiálů, což vede k nižší účinnosti a zkrácení životnosti zařízení. Klíčovým problémem je migrace organických kationtů a halidových iontů, které se nacházejí ve struktuře organicko-anorganických perovskitů. Tato migrace je ovlivněna přítomností hran zrn (grain boundaries), které mohou sloužit jako cesty pro pohyb iontů, čímž zhoršují stabilitu perovskitového materiálu.

Jedním z účinných způsobů, jak tento problém řešit, je modifikace struktury perovskitu tak, aby se minimalizovala velikost hran zrn. Zvýšení velikosti zrn v perovskitových vrstvách může významně omezit možnosti migrace iontů. Toho je možné dosáhnout různými aditivy, která ovlivňují růst krystalů. Aditivum, jako je MACl, je běžně používáno k zvýšení velikosti zrn perovskitové vrstvy, což zlepšuje její stabilitu a efektivitu. Studie ukázaly, že koncentrace MACl až 40 % mol vedla k vyšší účinnosti a stabilitě perovskitových solárních článků, což je způsobeno zvětšením velikosti zrn a zlepšením krystalinity.

Podobně byly použity další látky, jako Pb(SCN)2 a TACl, které také přispívají ke zvětšení velikosti zrn. Tyto aditivy ovlivňují růst perovskitových krystalů a tím zlepšují jejich strukturu. Například Zhao a kolegové vyvinuli metodu využívající cesium jako jádro pro iniciaci krystalizace, čímž dosáhli velikosti zrn přes 3 mikrometry. Tato metoda vedla k nižší hustotě defektů a stabilnějšímu chování materiálu, protože menší počet hran zrn ztěžuje migraci iontů.

Dalším způsobem, jak omezit migraci iontů, je využití inorganických a organických molekul jako aditiv, která mohou pasivovat hranice zrn a stabilizovat perovskitovou mřížku. Tyto molekuly fungují jako donory nebo akceptory elektronů a mohou interagovat s nabitými defekty, čímž blokují cesty pro migraci iontů. Inorganické cesium-halogenidy, jako CsPbBr3, se ukázaly jako zvláště stabilní a odolné vůči migraci iontů. Výzkum ukázal, že přidání CsPbBr3 do perovskitové vrstvy CsFAMA zlepšilo stabilitu zařízení, protože blokovalo migraci iontů a segregaci fází.

V poslední době byly vyvinuty i nové techniky, jako je použití rubrenu, který interaguje s organickými kationty a stabilizuje je tím, že je pevně váže. Tato interakce mezi rubrenem a organickými kationty pomáhá zabránit jejich migraci, což vede ke zvýšení stability perovskitových solárních článků. Studie ukázaly, že použití rubrenu snižuje pohyb I- iontů a stabilizuje optoelektronické vlastnosti PSC, čímž prodlužuje jejich životnost.

Důležité je pochopit, že změny v velikosti zrn a chemické úpravy mohou výrazně ovlivnit výkon perovskitových solárních článků. Velikost zrn má přímý vliv na počet hran zrn, které mohou fungovat jako kanály pro migraci iontů. Zvětšení velikosti zrn tímto způsobem omezuje tyto kanály a snižuje počet defektů, což zlepšuje stabilitu materiálu a jeho účinnost. Nicméně, ačkoliv zvětšení velikosti zrn může významně omezit migraci iontů, je stále nutné kombinovat tento přístup s jinými metodami, jako je použití aditiv, které stabilizují hranice zrn a blokují cesty pro pohyb iontů. Taková kombinace přístupů je klíčová pro dosažení dlouhodobé stability a vysoké účinnosti perovskitových solárních článků.