Jak iontová migrace ovlivňuje stabilitu perovskitových solárních článků a jak ji lze řídit?

Perovskitové solární články představují jednu z nejpromising výzev moderní fotovoltaiky, přičemž jejich vysoká účinnost a nízké náklady na výrobu je činí velmi atraktivními pro široké komerční použití. Nicméně stabilita těchto článků pod různými operačními podmínkami stále představuje významnou výzvu, přičemž jedna z hlavních příčin degradačních procesů je iontová migrace. Tento proces se u perovskitů projevuje v důsledku pohybu kationtů a aniontů uvnitř materiálu, což může vést k poškození a zhoršení jejich optických a elektrických vlastností. Iontová migrace je tedy klíčovým faktorem, který ovlivňuje dlouhodobou stabilitu a efektivitu perovskitových solárních článků.

V reakci na tento problém se vyvinula řada technologií zaměřených na potlačení iontové migrace. Jednou z přístupů je dopování perovskitového materiálu různými kationty, což může zpomalit nebo zcela zastavit pohyb iontů v materiálu. Například výzkum ukázal, že přidání cesia do struktury perovskitu nejen zlepšuje fotovoltaické vlastnosti, ale také významně zvyšuje stabilitu materiálu za vysokých teplot a vlhkosti (Lin et al., 2021). Podobně přítomnost rubidia zlepšuje stabilitu a efektivitu perovskitových solárních článků (Saliba et al., 2016). Tento přístup je součástí širšího trendu, kdy se stabilizace materiálů perovskitů provádí kombinováním různých přísad, které mohou zmírnit negativní účinky iontové migrace.

Zajímavým směrem výzkumu je i vývoj tzv. 2D perovskitových materiálů. Tyto materiály, díky své jedinečné struktuře, omezují migraci iontů v horizontální rovině a tím zvyšují stabilitu článků. To znamená, že mohou být použity k výrobě solárních článků, které nejen vykazují vysokou účinnost, ale i velmi dlouhou životnost. Významným příkladem jsou 2D perovskity na bázi formamidinium, které prokázaly významné zlepšení stability a výkonu (Xiao et al., 2018).

Kromě chemického dopování a konstrukčních změn se stále více prosazuje vývoj speciálních aditiv, které mohou potlačit iontovou migraci a snížit degradační účinky. Studie ukázaly, že používání určitých Lewisových bází v perovskitových solárních článcích může zvýšit jejich stabilitu a homogenitu na mikroskopické úrovni (Lee et al., 2017). Tato technologie přináší novou perspektivu pro stabilní a vysoce účinné perovskitové články, které jsou vhodné pro komerční použití.

Chápání mechanismu iontové migrace a metod jejího řízení je zásadní pro další zlepšení výkonu a stability perovskitových solárních článků. Kromě toho, že je důležité používat správně vybrané aditiva a stabilizátory, je nutné brát v úvahu i specifické podmínky použití těchto materiálů, jako jsou teplota, vlhkost a intenzita světla. Správný výběr kombinace stabilizátorů a aditiv může mít zásadní vliv na dlouhověkost solárních článků a jejich schopnost udržet vysokou účinnost po dlouhou dobu.

Jak se vyhnout hysterezi v perovskitových solárních článcích?

Perovskitové solární články (PSCs) jsou považovány za jedny z nejnadějnějších technologií pro výrobu solární energie díky jejich vysoké účinnosti a nízkým výrobním nákladům. Avšak i přesto, že dosahují vynikajících výsledků v laboratorních podmínkách, stále se potýkají s různými technickými problémy, které brání jejich širšímu komerčnímu využití. Jedním z nejvýznamnějších problémů je jev zvaný hystereze v I-V křivkách, který ovlivňuje stabilitu a výkon těchto článků. Tento jev, charakterizovaný rozdílem mezi kladnými a zápornými směry měření napětí a proudu, může vést k nespolehlivým výsledkům, což se stává zásadní překážkou pro komercializaci.

Hystereze v perovskitových solárních článcích je složitý jev, který není plně pochopen a stále se o něm vede intenzivní výzkum. Existuje několik teorií, které se pokoušejí vysvětlit jeho příčiny. Jedním z hlavních faktorů, které byly identifikovány, je migrace iontů v perovskitových materiálech. Předpokládá se, že pohyb těchto iontů v materiálu způsobuje dočasnou změnu elektrického pole, což vede k pomalým dynamickým procesům v těchto článcích, které se projevují jako hysterese.

Dalším faktorem, který může přispět k hysterezi, je ferroelectrické chování některých perovskitových materiálů, jako je například methylammonium olovnatý jodid (MAPbI3). Tento jev je způsoben polarizací, která je výsledkem uspořádání iontů v materiálu. Tyto mikrodomény ferroelectricity mohou způsobovat změny v chování solárních článků v závislosti na historii aplikovaného napětí, což vede k hysterézi. Ačkoliv ferroelectricita může mít i pozitivní účinky na výkon článků, v některých případech může její přítomnost vést k nespolehlivému chování.

Významným přístupem k potlačení hystereze je inženýrství rozhraní mezi vrstvami v perovskitových solárních článcích. Optimální kontrola těchto rozhraní, zejména mezi perovskitovou vrstvou a elektrickými kontakty, může pomoci minimalizovat iontovou migraci a zlepšit stabilitu. Použití různých pasivačních technik pro odstranění defektů na těchto rozhraních nebo zavedení dalších vrstev pro zajištění stabilnějšího přenosu náboje se ukázalo jako účinné při eliminaci hysterézy.

Kromě chemických a fyzikálních faktorů je třeba se zaměřit i na dynamiku výstupního proudu, která je v některých případech ovlivněna pomalými procesy v materiálu. Tento jev je známý jako "slow dynamic processes" a může vést k prodlouženým časovým odezvám mezi aplikací napětí a výstupním proudem. Takové procesy mohou mít za následek nestabilitu výstupního výkonu, což se projevuje jako hystereze v měřených I-V křivkách.

Pochopení a eliminace hystereze v perovskitových solárních článcích je klíčové pro jejich komerční aplikace. I přesto, že vědecký výzkum v této oblasti pokročil, stále zůstává mnoho nevyřešených otázek týkajících se tohoto jevu a způsobů, jak jej minimalizovat. V budoucnu bude nutné pokračovat v zlepšování výroby perovskitových solárních článků, abychom dosáhli jejich maximálního potenciálu. Sledování vývoje těchto technologií a zavádění nových metod na základě pokročilého výzkumu by mělo hrát klíčovou roli ve zvyšování účinnosti a stability těchto solárních článků.

Významným směrem výzkumu je využití nových pasivačních technik a optimalizace složení perovskitových materiálů. Zlepšení elektronických vlastností, včetně kontroly nad pohybem iontů v materiálu, může nejenom eliminovat hysterézi, ale také zlepšit stabilitu a životnost perovskitových solárních článků. Také se ukazuje, že kombinace různých typů ferroelectricity v materiálech může mít zajímavé výsledky, přičemž výzvou zůstává efektivní kontrola jejich vlivu na dlouhodobou spolehlivost zařízení.

Jak teplotní zpracování ovlivňuje vlastnosti perovskitových filmů a jejich stabilitu?

Při žíhání směsi perovskitů dochází k vedlejším reakcím, jako je dekompozice MAPbI3 a FAPbI3, což vede k tomu, že skutečný molární poměr mezi těmito dvěma složkami po procesu žíhání není 1:1, i když původně byly vázány ve stechiometrickém poměru. Výsledky testů stability ukazují, že podíl FAPbI3 je o něco větší než podíl MAPbI3, což je způsobeno menší velikostí kationtu MA+, který je při vysokých teplotách náchylnější k odstranění.

Další důležitý aspekt zpracování perovskitů je chemická výměna mezi organickými a anorganickými složkami, což bylo poprvé demonstrováno v roce 2015 Seokem et al., kteří připravili film FAPbI3 s velkými krystaly a preferovanou krystalografickou orientací pomocí molekulární výměny mezi PbI2(DMSO) aduktem a FAI. Tento přístup vedl k vytvoření perovskitových filmů s vylepšenou krystalinitou a vysokou účinností. Ši et al. využili adukt MAPbI3-FAI-PbI2-DMSO k potlačení tvorby β-FAPbI3 a získali čistou fázi β-FAPbI3 s vylepšenou krystalinitou a lepšími optickými a termálními vlastnostmi. Podobně Lee et al. použili N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) místo DMSO k vytvoření stabilního meziproduktu FAI·PbI2·NMP aduktu, což vedlo k lepší kvalitě perovskitového aktivního filmu díky silnějšímu koordinativnímu spojení mezi NMP a FA+ než u DMSO.

Použití různých solvátů a ko-solventů může výrazně ovlivnit výslednou morfologii perovskitových filmů. Příkladně, podle výzkumu Huang et al., použití tetrahydrofuran (THF) jako ko-solventu umožňuje lepší regulaci interakce mezi rozpouštědlem a rozpustnou látkou, což má přímý vliv na následnou konverzi a krystalizaci perovskitové fáze. Tato strategie nejen že zlepšuje vlastnosti perovskitových zařízení, ale také přispívá k úsporám materiálu a snížení toxicity, protože umožňuje zředit roztok perovskitu až třikrát, aniž by to mělo negativní vliv na výkon zařízení.

Je důležité si uvědomit, že stabilita a výkon perovskitových filmů závisí na pečlivé kontrole krystalizace a fáze perovskitového materiálu. Zatímco teplota žíhání a výběr solventu mohou zlepšit kvalitu filmu, mechanické a chemické interakce mezi různými vrstvami a materiály hrají klíčovou roli v dosažení optimálních vlastností. Přístup k rozhraní a stabilitě během dlouhodobého používání bude rozhodující pro komerční využití perovskitových technologií v solárních článcích a dalších elektronických zařízeních.

Jak dopování alkalickými kationty ovlivňuje stabilitu perovskitových solárních článků?

Alkalické kationty, jako jsou K+, Rb+, a Cs+, hrají klíčovou roli v stabilitě perovskitových materiálů. Tyto kationty vykazují silnou tendenci se asociovat s přebytkem a nedostatečně koordinovanými halogenidy, čímž je stabilizují a brání jejich nežádoucí migraci. Tento proces je zvláště významný při použití cesiových (Cs+) kationtů, které se ukázaly jako účinné při zlepšení termální stability perovskitových solárních článků (obrázek 6.6c). I když tato dopování mohou výrazně zlepšit stabilitu, stále je třeba řešit problém fázové segregace, která může nastat během provozních podmínek, zejména přechod k Cs-bohatým perovskitům.

Teoretické simulace ukazují, že alkálie mohou zvyšovat energii tvorby mobilních halogenidových intersticiálních defektů, což naznačuje jejich účinnost při stabilizaci perovskitové mřížky. Kromě toho, když jsou alkálie zavedeny na pozici A-site v mřížce perovskitu, vede to ke kontrakci mřížky, což zkracuje vzdálenost mezi ionty a zlepšuje tak strukturální integritu perovskitu. Tato modifikace má za následek zpevnění celé struktury, čímž se zvyšuje celková odolnost vůči vnějším vlivům. Nicméně u některých kationtů, jako je Rb+, stále existují spory o přesné umístění v mřížce, přičemž experimentální pozorování podporují jejich integraci na pozice A-site, což je v rozporu s některými teoretickými výpočty, které naznačují, že jejich iontové poloměry jsou příliš malé na to, aby tyto pozice obsadily.

Další studie, včetně těch provedených pomocí jaderné magnetické rezonance (NMR), ukazují, že kationty Rb+ a K+ jsou ve skutečnosti nesmísitelné v intersticiálních pozicích a segregují se do opticky neaktivních fází, což může být způsobeno jejich nízkou rozpustností v různých kompozicích OHP. To naznačuje, že efektivita těchto kationtů v perovskitových materiálech závisí na jejich schopnosti interagovat s různými halogenidy a na vlastnostech jednotlivých složek. Například přídavek Br- do chemické stechiometrie směsných halogenidových sloučenin APbI3-xBrx může usnadnit začlenění K+.

Dopování K+ je velmi účinné při zlepšování stability a externí kvantové účinnosti fotoluminiscence (PLQE) ve směsných kationtových a halogenidových perovskitech. Přítomnost KI v perovskitových vrstvách výrazně potlačuje fázovou segregaci a zlepšuje jak vnitřní, tak vnější PLQE. Dále dopování K+ inhibuje tvorbu Frenkelových defektů a zmenšuje hysterezi v J-V charakteristikách, což přispívá k lepší účinnosti solárních článků. Tato zjištění potvrzují, že i malé změny v chemickém složení mohou mít významný dopad na vlastnosti perovskitových solárních článků a na jejich dlouhodobou stabilitu.

Důležitým prvkem, který by měl čtenář pochopit, je, že i když alkálie přinášejí výhody ve stabilitě a výkonu perovskitů, jejich efektivita je často závislá na specifické chemické kompozici a struktuře perovskitového materiálu. Tyto faktory mohou zahrnovat vliv dalších příměsí, jako je brom nebo chlór, a jejich schopnost ovlivnit interakce mezi kationty a anionty v mřížce. Taktéž je kladeno důraz na to, že některé kationty mohou vést k vedlejším efektům, jako je segregace nebo degradace materiálů, které by mohly snížit dlouhodobou stabilitu solárních článků.