Perovskitové materiály, především organicko-anorganické hybridní perovskity, se v posledních letech staly předmětem intenzivního výzkumu, a to především díky svým vynikajícím optoelektronickým vlastnostem, které jsou pro solární články klíčové. Mezi jejich hlavní přednosti patří široce nastavitelný energetický pás, dlouhá délka difúze elektronů a děr, vysoký koeficient absorpce světla a nízká energie excitonů. Tyto materiály nejen že vykazují vysokou efektivitu konverze slunečního světla na elektrickou energii, ale jsou rovněž cenově dostupné a snadno se zpracovávají, což je činí ideálními kandidáty pro komerční využití.

Nicméně, jakmile se dostaneme k problematice stability perovskitových solárních článků, čelíme výzvám spojeným s mechanickým napětím a migrací iontů v těchto materiálech. Tyto faktory mohou významně ovlivnit jak účinnost článků, tak jejich dlouhodobou životnost. Jedním z klíčových aspektů stabilizace perovskitových materiálů je kontrola vnitřního napětí v krystalové mřížce, které může být vyvoláno různými externími faktory, včetně teplotních změn nebo mechanického stresu.

V posledních letech se ukazuje, že inženýrství napětí, tedy manipulace s tímto napětím na úrovni molekulárních vazeb, může výrazně zlepšit stabilitu a účinnost perovskitových článků. Například použití aditiv, jako je KBF4, může výrazně snížit mikrostrainy, zlepšit krystalinitu a pasivovat defekty na rozhraní vrstev. Tímto způsobem lze minimalizovat nežádoucí změny v krystalové struktuře, které by jinak vedly k degradaci výkonu článků.

Migrace halogenidových iontů, zejména jódu a cesia, je další kritický faktor, který ovlivňuje stabilitu perovskitových materiálů. Změny ve struktuře způsobené migrací těchto iontů mohou vést k degradaci materiálů pod vlivem světla nebo tepla. Ovládání této migrace a její zmírnění pomocí specifických inženýrských přístupů je klíčové pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti těchto solárních článků.

Významným směrem je také výzkum zaměřený na strukturu samotného materiálu, přičemž modifikace tolerance faktorů a další optimalizace ve složení perovskitu mohou přispět k dosažení lepší stability při zachování vysoké účinnosti. Použití kombinace organických a anorganických cationtů v perovskitové struktuře přináší výhody v oblasti stability, avšak i tato řešení mají své limity, zejména pokud jde o dlouhodobou spolehlivost a ekologické otázky spojené s použitím těžkých kovů, jako je olovo.

Jedním z nejvíce zkoumaných aspektů je i řešení problémů spojených s tepelným napětím, které může vést k nesouladu v krystalové struktuře při teplotních změnách. Studie ukázaly, že přesná kontrola krystalizace a minimalizace vnitřního napětí ve vrstvě perovskitu, jako je tomu v případě FAPbI3, může vést k výraznému zlepšení výkonu a stability.

Důležitým aspektem je také výběr správného substrátu pro perovskitové články. Tloušťka a materiál substrátu mohou mít vliv na interfacialní napětí, což ovlivňuje účinnost přenosu náboje a tím i celkový výkon článků. Specifické procesy pro uvolnění napětí na rozhraní, jako je dynamická přechodová tekutá krystalizace nebo pasivace defektů pomocí nových molekulárních modifikátorů, mohou hrát klíčovou roli ve zlepšení stabilitní doby perovskitových článků.

K dosažení vysoké účinnosti je třeba pečlivě zohlednit nejen zlepšení krystalové struktury samotného materiálu, ale také interakce mezi vrstvami a jejich vliv na generaci a separaci nábojů. Je nezbytné dosáhnout rovnováhy mezi vysokou absorpcí světla, stabilitou materiálů a efektivním přenosem elektrických nábojů, což je základním předpokladem pro praktické využití perovskitových solárních článků v komerčním měřítku.

Jak se vyvíjejí perovskity 2DACI pro solární články nové generace?

Perovskity 2DACI (dvojrozměrné perovskity s kationty, jako je GA) se v posledních letech staly předmětem intenzivního výzkumu, přičemž se ukázalo, že jejich struktura a optoelektronické vlastnosti činí tyto materiály velmi slibnými pro použití v perovskitových solárních článcích. Tyto materiály se vyznačují výjimečnými fotoelektrickými vlastnostmi, díky čemuž představují jedno z nejlepších řešení pro dvourozměrné perovskitové solární články (2D PSCs). Klíčovým faktorem jejich potenciálu je jejich struktura, která je velmi podobná iodoformamidinu, látce stabilizující strukturu 2DACI perovskitů. Tato stabilita je klíčová pro dlouhodobou výkonnost solárních článků, což je jeden z důvodů, proč se 2DACI perovskity staly hlavním výzkumným zaměřením.

V roce 2017 tým Kanatzidise poprvé syntetizoval perovskit 2DACI na bázi kationtů GA, který byl následně použit k výrobě 2D solárních článků. Tato syntéza byla významným krokem vpřed v oblasti materiálového výzkumu, protože GA kationty zajišťují nejen stabilitu, ale i zlepšené optické a elektrické vlastnosti perovskitů. Různé hodnoty n (n = 1-3) v GA-based ACI perovskitech vykazují odlišné vlastnosti, přičemž perovskity s lichými hodnotami n (1, 3) krystalizují v ortogonálních prostorových skupinách Imma, zatímco perovskity s sudými hodnotami n využívají polarizovanou prostorovou skupinu Bmm2.

Tato rozmanitost v krystalových strukturách se promítá do jejich optických vlastností. Například absorpční hranice a pozice excitonových vrcholů u ACI perovskitů procházejí výrazným červeným posunem ve srovnání s tradičními RP perovskity. Tento jev lze vysvětlit rozdílem v symetrii struktury: ACI perovskity jsou zkreslené pouze v jednom směru v rovině ab, zatímco RP perovskity jsou zkreslené ve dvou směrech. Tato nižší míra zkreslení přispívá k užší energetické mezery (band gap), která je optimální pro efektivní fotovoltaické použití. U těchto perovskitů je tedy možno dosáhnout lepší konverze sluneční energie díky vysoce regulované struktuře kationtů, což rovněž zlepšuje optické vlastnosti, jako je fotoluminiscence (PL).

Navíc se u těchto materiálů ukázalo, že jejich optická absorpce i luminescence vykazují podobný trend. S rostoucí šířkou kvantových jam (QWs) dochází k posunu emisní vlnové délky směrem k červené. Tento jev ukazuje na vylepšení konjugovaných vlastností GA kationtů, které posilují fotovoltaickou výkonnost perovskitů. Pokročilé výpočty pomocí DFT (denzitní funkcionální teorie) potvrzují experimentální výsledky, což podporuje myšlenku, že tyto materiály mají velmi slibný potenciál pro solární aplikace.

Vzhledem k těmto vylepšením je zřejmé, že perovskity 2DACI mají mnohem menší kvantové a dielektrické omezení než jejich předchůdci. Přítomnost různých fází kvantových jam v připravených tenkých vrstvách ještě více zvyšuje efektivitu přenosu náboje. Nanoskalové hybridní multidimenzionální filmy GA(MA)3Pb3I10 umožnily studium transportu náboje na úrovni heterojunkcí, což potvrdilo extrémně rychlou lokalizaci nosičů náboje (~0,3 ps). Tyto nanoskalové heterojunkce umožňují efektivní a rychlou lokalizaci nosičů náboje a jejich extrakci do transportních vrstev, což vede k rychlejšímu a efektivnějšímu přenosu náboje v solárních článcích.

Pokud jde o samotnou syntézu a krystalizaci těchto materiálů, proces je komplexní a vyžaduje pečlivou kontrolu. Využití technik, jako je GIWAXS (grazing incidence wide-angle X-ray scattering), umožnilo sledovat vývoj struktury perovskitů během jejich krystalizace. Bylo prokázáno, že interakce mezi rozpouštědly, halogenidovými sloučeninami olova a organickými komponenty vedou k vytvoření mezifázových struktur, které se následně rozpadnou během žíhání, čímž se vytvoří prostor pro růst ACI perovskitů. Tento proces je rozhodující pro dosažení optimálních optických a elektrických vlastností.

Pro zajištění maximální účinnosti perovskitových solárních článků na bázi ACI je kladeno důraz na kontrolu sekundární krystalizace. Ošetření perovskitových vrstev guanidiniumbromidem (GABr) vedlo k dosažení maximální účinnosti 19,3 %, což ukazuje na obrovský potenciál těchto materiálů v oblasti fotovoltaiky.

Přestože jsou ACI perovskity slibné, jejich výroba a aplikace čelí určitým výzvám, jako je potřeba efektivního řízení jejich krystalizačního procesu a řešení problémů s výkonnostními limity na základě struktury. Technologie se však neustále vyvíjí, což poskytuje naději na jejich využití v komerčních solárních článcích v budoucnosti.

Jak úroveň energetických rozhraní ovlivňuje výkon perovskitových solárních článků?

Perovskitové materiály, zejména methylammonium olovnatý jodid (MAPbI₃), se v posledních letech staly velmi slibným materiálem pro výrobu solárních článků. Tyto materiály, díky své vysoké mobilitě nosičů náboje a inherentnímu elektrickému poli, usnadňují přenos elektronů a děr na rozhraní s vrstvami pro přenos elektronů (ETL) a děr (HTL). Optimální sladění energetických hladin mezi těmito vrstvami umožňuje efektivní injekci nosičů náboje do vodivostních pásů (CB) ETL a valenčních pásů (VB) HTL. Takové sladění je klíčové pro snížení energetické bariéry pro sběr náboje, což zlepšuje výkon zařízení a potlačuje rekombinaci a akumulaci nábojů na rozhraní perovskit-elektroda.

Důležité je také zmínit, že specifické iontové skupiny vykazují silné interakce s perovskitovými materiály, což umožňuje úpravu energetických hladin na rozhraní použitím vhodných kontaktních materiálů. Tento proces úpravy energetických hladin je možné aplikovat i na další funkční vrstvy, včetně vrstev pro transport náboje a elektrody. Zajímavé je i použití některých bifunkčních molekul, jako jsou zwitterionty a iontové kapaliny (IL), které mají tendenci vytvářet uspořádané dipólové vrstvy mezi elektrodami a perovskitovými vrstvami. Tento jev vede k samouspořádání vrstev, což rovněž přispívá k modifikaci energetického sladění.

V perovskitových solárních článcích s běžnou strukturou je nejběžnější vrstva pro přenos elektronů oxid cínatý (SnO₂), který má oproti oxidu titaničitému (TiO₂) několik výhod, jako je nižší teplota zpracování, vhodná energetická hladina, dobrá vodivost a nákladová efektivita. Nicméně mezi vodivostní hladinou SnO₂ (přibližně 4,5 eV) a perovskitem (přibližně -3,4 až -3,9 eV) stále existuje nesoulad, což vyžaduje úpravy na rozhraní. Nižší vodivostní pásmo SnO₂ může snížit vestavěný potenciál mezi perovskitem a SnO₂, což vede k nižšímu napětí PSC (perovskitové solární články).

Dalším problémem je nesoulad energetických hladin na rozhraní s HTL, zejména při použití spiro-OMeTAD, který často způsobuje značné ztráty v výkonu. To je důsledkem přítomnosti neúplně zakončených vazeb (dangling bonds) na povrchu perovskitu, které zůstávají energeticky nevýhodné a reaktivní, což může vytvářet nové stavy v mezírce pásma (mid-gap states) a zhoršovat rekombinační procesy.

Významným faktorem pro optimalizaci výkonu perovskitových solárních článků je pasivace defektů, které vznikají v amorfních nebo polykrystalických vrstvách. Vysoký koeficient absorpce těchto materiálů umožňuje dosáhnout fotoproudů blízkých teoretickému maximu, ale klíčové je i minimalizování rekombinace náboje na rozhraní, což přímo ovlivňuje otevřené napětí (VOC) a účinnost článků. Rekombinační procesy, včetně těch na povrchu perovskitu, jsou nevyhnutelné, ale jejich minimalizace je nezbytná pro dosažení optimálních výsledků.

Interfázová inženýring, tedy správná úprava rozhraní mezi vrstvami, nabízí efektivní přístup k pasivaci defektů a zlepšení kvality optoelektronických vlastností absorpčních vrstev. Eliminace defektů je zásadní pro dosažení perovskitových materiálů s dlouhou životností fotogenerovaných nábojových nosičů, což umožňuje výkon solárního článku blížit se teoretickému limitu účinnosti.

K dosažení maximálního výkonu perovskitových solárních článků je nezbytné nejenom optimalizovat sladění energetických hladin, ale i zlepšit dynamiku přenosu nosičů náboje na rozhraní. Efektivní separace elektronů a děr závisí na kvalitě interfací, které umožňují rychlý a efektivní pohyb nosičů k protilehlým kontaktům. Vysoká účinnost sběru náboje vyžaduje, aby přenos náboje probíhal rychleji než rekombinační procesy, což vyžaduje správnou volbu materiálů a optimalizaci jejich vlastností, jako je vodivost a mobilita.

V neposlední řadě je důležité si uvědomit, že i když jsou perovskitové materiály velmi slibné, výzvy týkající se stabilnosti a toxicity olova zůstávají zásadními problémy, které je třeba řešit pro širší komerční aplikace. To si vyžaduje další výzkum zaměřený na vývoj nových materiálů a technologií, které mohou tyto problémy minimalizovat.

Jak perovskity mění svět fotovoltaiky a elektroniky

Perovskitové materiály, zejména halogenidové perovskity, v posledních desetiletích přitahují značnou pozornost vědců a inženýrů díky svým výjimečným vlastnostem a potenciálu v oblasti solárních článků a elektronických zařízení. Vznik těchto materiálů sahá až do poloviny 20. století, kdy vědecké komunity začaly zkoumat jejich jedinečné struktury a schopnosti, které byly projevem nových a netradičních přístupů v oblasti polovodičů.

Už v roce 1958 vědec C. K. Møller v publikaci v časopise Nature popsal krystalovou strukturu cesio-plumbohalidů, což bylo jedním z prvních kroků k pochopení potenciálu perovskitových materiálů pro aplikace v elektronice. Tento materiál, který vykazuje neobvyklé optické a elektrické vlastnosti, se později stal základem pro vývoj fotovoltaických článků a dalších elektronických zařízení. V roce 1978 se D. Weber v Zeitschrift für Naturforschung zaměřil na metylamoniový trihalogenid perovskitu, což přispělo k pochopení, jak kubická perovskitová struktura ovlivňuje vlastnosti těchto materiálů.

Význam perovskitů pro fotovoltaiku se začal výrazně projevovat na počátku 21. století. V roce 2009 T. Miyasaka a jeho tým představili perovskitové solární články s organickými a anorganickými složkami, které se staly jedním z milníků v oblasti solární energetiky. Tento objev vedl k rychlému nárůstu účinnosti solárních článků, které na základě perovskitových materiálů dnes dosahují úrovní efektivity porovnatelné s tradičními křemíkovými články.

V roce 2011 J. H. Im a kolegové publikovali výsledky výzkumu, ve kterém vytvořili solární články na bázi perovskitových kvantových teček, což vedlo k dalšímu zlepšení výkonu těchto zařízení. Následně, v roce 2012, vědecký tým vedený H.-S. Kimem dosáhl účinnosti přes 9 % u perovskitových solárních článků, což představovalo významný krok v praxi.

Další vývoj ukázal, že perovskity nejsou omezeny pouze na solární aplikace. Mnozí vědci začali zkoumat jejich použití v optoelektronických zařízeních, jako jsou diody LED nebo lasery. S. A. Veldhuis a jeho kolegové v roce 2016 demonstrovali, že perovskity mohou být využity také v aplikacích pro emise světla a detekci. To otevřelo nové možnosti pro vývoj zařízení v oblasti optických komunikací a display technologií.

Stabilita a výdrž perovskitových materiálů však zůstávají výzvami. I když materiály jako methylammonium lead trihalide (CH3NH3PbI3) ukázaly slibné výsledky, výzkum ukázal, že tyto materiály mohou být náchylné na teplotní a vlhkostní změny. V roce 2015 B. Conings a jeho kolegové identifikovali vnitřní termální instabilitu těchto materiálů, což vyžaduje nové přístupy v jejich stabilizaci.

Další zajímavou oblastí je vývoj nových perovskitů s jinými kationty, jako je cesium, což vede k materiálům, které mají lepší termální stabilitu. V roce 2016 M. Kulbak a jeho tým ukázali, že cesium může výrazně zlepšit dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků na bázi olovnatého bromidu. Podobně, ve stejném roce, výzkumníci ukázali, že cesium v kombinaci s perovskitem může zlepšit výkon a stabilitu perovskitových fotovoltaických článků, což přispívá k jejich širšímu použití v komerčních aplikacích.

Jedním z klíčových faktorů, který ovlivňuje efektivitu perovskitových solárních článků, je správná volba a kontrola fáze perovskitového materiálu. Studie ukázaly, že stabilita fáze může mít zásadní vliv na výkon a životnost těchto zařízení. V roce 2017 S. Dastidar a jeho kolegové objevili, že vysoké koncentrace chlóru mohou stabilizovat perovskitovou fázi cesia-olova, což vedlo k vývoji stabilnějších perovskitových solárních článků.

Přestože perovskitové materiály nabízejí široké spektrum možností, je nutné zohlednit i environmentální aspekty spojené s jejich použitím. Olovo, které je součástí mnoha perovskitových materiálů, může představovat riziko pro životní prostředí. Výzkum v oblasti náhradních materiálů bez olova a ekologických variant perovskitů je tedy aktuálně jedním z hlavních směrů vývoje v této oblasti.

Perovskitové materiály jsou dnes nejen v popředí výzkumu fotovoltaických technologií, ale také v mnoha dalších oblastech, jako jsou senzory, paměťové články a další optoelektronická zařízení. Jejich potenciál pro zlepšení výkonnosti a snížení nákladů na solární energii je obrovský, ale cesta k širokému komerčnímu využití stále vyžaduje řešení problémů stability, toxicity a efektivnosti.

Co vlastně znamenalo být Domitianem?
Jak nanotechnologie mění budoucnost zemědělství: Editace genomu a biosenzory v praxi
Jak správně kombinovat basmati rýži s různými ingrediencemi: Inspirace pro vaření
Jak Smart Power Mění Rozvodné Systémy a Úspory Energie