Jak zlepšení konverze energie v perovskitových solárních článcích pomocí upkonverzních nanomateriálů přispívá k vyšší účinnosti?

V posledních letech došlo k významnému pokroku ve výzkumu perovskitových solárních článků (PSC), zejména v oblasti zlepšení jejich účinnosti díky upkonverzním nanomateriálům. Tyto materiály, především na bázi přechodných kovů nebo vzácných zemin, jako je NaYF4 dopovaný Yb3+ a Er3+, mají potenciál výrazně zlepšit fotovoltaické vlastnosti perovskitových článků. Hlavní výhodou těchto materiálů je jejich schopnost absorbovat světlo v oblasti infračerveného spektra, které je tradičně pro perovskity nevyužitelné, a přeměnit je na viditelné světlo, které následně zlepší absorpci v perovskitu.

V kombinaci s perovskitovými solárními články, nanokompozity jako Cu2−xS@SiO2@Er2O3 mohou zlepšit účinnost konverze energie (PCE) až o 1000krát, což je způsobeno nejen vylepšenou kvantovou účinností, ale i účinnějším elektronovým přenosem a reabsorpce upkonverzní luminescence. Pod optimálními podmínkami excitace může PCE dosáhnout hodnoty 18.8 % při 15násobné intenzitě osvětlení. To ukazuje na obrovský potenciál upkonverzních materiálů pro zlepšení fotovoltaických zařízení, přičemž největší zlepšení bylo dosaženo v oblasti zpracování fotonů a přenosu elektronů mezi defekty kyslíku a vodivostním pásmem TiO2.

Využití upkonverzních materiálů v perovskitových solárních článcích také otevírá nové možnosti pro efektivní zachytávání infračerveného záření. Zajímavým přístupem je použití povrchových vrstev na zadní straně solárních článků, které umožňují využití sub-pásmového spektra slunečního záření. Příkladem tohoto přístupu je výzkum, který zahrnoval novou vrstvu z materiálů jako NaYF4: Yb3+, Er3+/NaYF4: Yb3+, Tm3+/Ag na zadní straně PSC. Tento návrh umožňuje jak využívání infračerveného záření, tak plazmonického rozptylu a luminescenčního zlepšení, což vedlo k nárůstu PCE o 6,8 % při osvětlení o intenzitě 1,5 W cm−2.

Nicméně i přes tyto významné pokroky v technologii upkonverzních materiálů stále existují určité výzvy, které je třeba vyřešit. Jedním z hlavních problémů je relativně úzký absorpční pás f-f přechodů vzácných zemin, což omezuje širokopásmové využívání upkonverzních materiálů. Navíc mají materiály na bázi vzácných zemin často malé absorpční průřezy a úzké excitační pásma, což snižuje jejich efektivitu při využívání slunečního záření v širší oblasti spektra.

Významným směrem v této oblasti je optimalizace velikosti, tloušťky a uniformity upkonverzních materiálů v rámci solárních článků. Tyto faktory jsou klíčové pro zajištění maximálního využití energie a pro minimalizaci ztrát způsobených rekombinací nosičů v materiálech.

Kromě pokročilých materiálů a jejich optimalizace je důležité se zaměřit na celkovou strukturu perovskitového solárního článku, aby byl zajištěn co nejefektivnější přenos elektronů a excitovaných nosičů. Zlepšení je také možné pomocí vylepšení samotného perovskitového materiálu, jeho heterostruktur a použití dalších nanostruktur, které mohou podporovat fotonovou konverzi a přenos nosičů v článku.

Jaký je vliv různých metod enkapsulace na stabilitu perovskitových solárních článků?

Enkapsulace perovskitových solárních článků je klíčovým faktorem pro zajištění jejich dlouhodobé stability a výkonu v reálných podmínkách. Různé materiály a techniky enkapsulace jsou testovány a hodnoceny na základě jejich schopnosti chránit články před vnějšími vlivy, jako je vlhkost, kyslík, teplota a další environmentální faktory. Některé z nejvíce studovaných metod zahrnují použití polyolefinových materiálů, jako je POE (polyolefin elastomer) a PIB (polyisobutylen), které vykazují výborné vlastnosti pro ochranu perovskitových solárních článků.

Polyisobutylenová (PIB) těsnicí vrstva se používá k ochraně okrajů článků. Tento materiál je známý svou vynikající odolností proti vodě, což z něj činí ideální volbu pro zajištění hran solárních článků. Tato metoda se ukazuje jako efektivní nejen pro ochranu proti vlhkosti, ale také zajišťuje minimální tepelný vliv na samotný perovskitový materiál, jelikož proces balení nevyžaduje vysoké teploty (pod 100°C a časově omezené na méně než 5 minut).

TPO (thermoplastic polyolefin), směs polyethylenu a polypropylenu, se ukazuje jako další slibný materiál pro enkapsulaci díky své nízké ceně, vysoké elektrické vodivosti a odolnosti vůči kyselinám a hydrolyze. Studie provedené Bai et al. ukázaly, že TPO a POE mají velmi nízkou propustnost pro vodu a vynikající tepelnou stabilitu, což je klíčové pro zajištění dlouhodobé výkonnosti solárních článků. Solární moduly s TPO enkapsulací zůstaly po 3000 hodinách testování v podmínkách vlhka a tepla stabilní až na 96% původní účinnosti, což je výrazně lepší výkon než u modulu s EVA (88%) a POE (94%).

Laminace pomocí těchto materiálů je relativně jednoduchá a levná, což je činí atraktivními pro průmyslové aplikace. Nicméně, i když je laminace v současnosti nejstabilnější metodou enkapsulace, stále existují výzvy spojené s vysokými teplotami potřebnými pro proces horkého lisování. Tyto teploty mohou poškodit perovskitovou vrstvu nebo organické vrstvy v článcích. Významným pokrokem v tomto směru je zlepšení tepelné stability perovskitových článků, což znamená, že tepelné poškození při laminaci bylo výrazně sníženo, čímž se tato metoda stává více životaschopnou pro komerční výrobu.

Významným pokrokem v tomto oboru bylo dosaženo použitím kombinace organických a anorganických materiálů v tenkovrstvých enkapsulacích. Takové struktury vykazují vynikající bariérové vlastnosti a dosahují hodnoty přenosu vodní páry (WVTR) na úrovni 10⁻⁴ g/m²/d−¹ při testování za zrychlených podmínek (38°C a 90% vlhkost). Příkladem takového úspěšného použití je kombinace pV3D3/Al2O3, která vykázala stabilitu 97% původní účinnosti po 300 hodinách vystavení teplotě 50°C a vlhkosti 50%. Tato metoda, která používá nízkoteplotní depozici při 60°C pomocí ALD (atomic layer deposition) a iCVD (initiated chemical vapor deposition), umožňuje výrobu vysoce kvalitní enkapsulace bez ztráty výkonnosti solárního článku.

Je důležité zdůraznit, že enkapsulace je nejen o ochraně perovskitového materiálu před vnějšími vlivy, ale také o zachování jeho optoelektronických vlastností, které jsou klíčové pro efektivní sběr náboje a celkový výkon článků. V tomto ohledu je pečlivá kontrola teploty a podmínek při přípravě enkapsulace naprosto zásadní. Příliš vysoké teploty během depozice mohou poškodit chemické složení a optoelektronické vlastnosti, což povede ke ztrátě účinnosti. Optimální podmínky pro depozici tedy znamenají balancování mezi zajištěním kvalitní bariérové vrstvy a minimalizací negativního vlivu na výkon článku.

Jaký vliv má encapsulace na stabilitu perovskitových solárních článků?

Encapsulace perovskitových solárních článků představuje klíčový faktor pro zajištění jejich dlouhodobé stability a účinnosti. I když perovskity nabízejí vysokou účinnost konverze energie, jejich zranitelnost vůči vnějším vlivům, jako jsou vlhkost, teplota a kyslík, může výrazně ovlivnit jejich životnost. Vzhledem k tomu, že perovskitové materiály nejsou přirozeně stabilní, je zásadní vyvinout účinné technologie pro jejich ochranu, zejména pro flexibilní a transparentní solární články, které jsou stále častěji považovány za budoucnost fotovoltaiky.

Pokud jde o encapsulaci, nízkoteplotní metody, jako je atomová vrstvená depozice (ALD), hrají zásadní roli při výrobě ochranných vrstev pro perovskitové články. Tento proces umožňuje aplikaci velmi tenkých, ale vysoce efektivních ochranných vrstev, jako je Al2O3, které zlepšují dlouhodobou stabilitu článků. Výhodou ALD je možnost dosáhnout rovnoměrné a přesné pokrytí i na složitějších površích, což je obzvláště důležité pro flexibilní solární články, které jsou náchylnější k mechanickému poškození.

Studie ukazují, že zajištění hermetického uzavření perovskitových článků pomocí speciálních encapsulačních vrstev může podstatně zlepšit jejich odolnost vůči vlhkosti a oxidačním procesům. Taková ochrana také pomáhá zabránit ztrátám výkonnosti, které jsou způsobeny vzdušnou vlhkostí a kyslíkem, což jsou faktory, které mohou urychlit degradační procesy.

Rovněž je nezbytné zohlednit výzvy spojené s výrobou těchto článků v průmyslovém měřítku. Technologie, které umožňují výrobu perovskitových solárních článků pomocí roll-to-roll procesů, tedy na pásové výrobní lince, musí být doplněny o účinné encapsulační metody. To je klíčové pro zajištění robustnosti a komerční využitelnosti těchto článků v masovém měřítku.

Je nezbytné mít na paměti, že stabilita perovskitových solárních článků je také silně ovlivněna teplotními změnami, což si žádá pokročilé testovací metody pro vyhodnocení jejich výkonu při simulovaných podmínkách dlouhodobého používání. Významným směrem pro zlepšení odolnosti je také řešení problémů s degradací materiálů při vysokých teplotách. Významným faktorem je i složení samotného perovskitu, kde se experimentuje s nahrazením toxických látek, například olova, pro zajištění ekologičtějšího a bezpečnějšího použití.