Jak optimalizace hran zrn a rozhraní perovskitových solárních článků zlepšuje jejich výkon a stabilitu?

Vylepšení výkonu perovskitových solárních článků (PSC) je spojeno s řešením různých problémů, které souvisejí s defekty v samotném materiálu perovskitu a na jeho rozhraních s ostatními vrstvami článku. Tyto defekty, zejména na hranicích zrn (GB) a na rozhraních mezi perovskitem a vrstvami pro transport elektronů (ETL) nebo děr (HTL), mohou vést k nežádoucí rekombinaci nosičů náboje, což výrazně snižuje účinnost článků. Z tohoto důvodu se vyvíjejí různé strategie pro modifikaci těchto defektů a zlepšení stability.

Důležitým krokem v optimalizaci je rovněž použití pasivačních činidel, která se zaměřují jak na povrchové, tak i na objemové defekty. Například guanidinhydridy (GuX) se ukázaly jako efektivní při pasivaci objemových defektů (GuCl) a povrchových defektů (GuI), což vede k nižší rekombinaci a zamezení migrace halogenů. Tato metoda nejen zlepšuje účinnost, ale také zabraňuje degradaci na povrchu perovskitu.

Velmi důležitou roli v zajištění vysokého výkonu a stability perovskitových solárních článků hraje také modifikace rozhraní mezi perovskitem a vrstvami pro transport elektronů (ETL) a děr (HTL). Hranice mezi těmito vrstvami je často místem, kde dochází k velkému množství defektů, které vedou k vysokým ztrátám nosičů náboje. Pomocí synergistických pasivačních metod, kdy se použijí různé pasivátory pro různé vrstvy, je možné tento problém minimalizovat.

Například přidání Lewisových kyselin, které mohou akceptovat nespárované elektrony, pomáhá pasivovat defekty na povrchu perovskitu. Molekuly jako tris(5-((tetrahydro-2H-pyran-2-yl)oxy)pentyl)phosphine oxide (THPPO) se ukázaly jako účinné při pasivaci defektů na povrchu perovskitu, což zlepšuje elektrický přenos a stabilitu. Další látky, jako je BTP-4F, modifikují růst krystalů, pasivují defekty a chrání perovskitové filmy před vlhkostí, což výrazně zvyšuje jejich stabilitu.

Zajímavým a inovativním přístupem je také modifikace hranic zrn pomocí hydrofobních vrstev, jako je PbSO4, které vznikají reakcí methylaminu síranu s PbI2. Tento ultratenký povlak na hranicích zrn přispívá ke zlepšení krystalizace, pasivaci defektů a zvýšení odolnosti vůči vodě, což vede k lepší stabilitě a účinnosti.

Pasivace defektů je tedy klíčová pro zvýšení výkonu a stability perovskitových solárních článků. Je nutné nejen zlepšit kvalitu samotného perovskitu, ale i optimalizovat rozhraní mezi vrstvami, aby bylo dosaženo co nejmenšího množství rekombinace nosičů náboje. Současné výzkumy ukazují, že kombinace různých pasivačních technik, včetně použití 2D/3D heterostruktur a pasivátorů pro objemové i povrchové defekty, je nejefektivnější cestou k dosažení vysoké účinnosti a dlouhodobé stability perovskitových solárních článků.

Jak měření napětí v perovskitových solárních článcích ovlivňuje jejich vlastnosti a výkonnost

Jedním z hlavních problémů je používání referenčních materiálů, které mají sloužit k eliminaci šíření pásma přístroje. Tyto referenční materiály se však mohou lišit od skutečných vzorků, což může vést k nepřesnostem v získaných datech. Dále je distribuce velikosti, tvaru a délky krystalů v jednotlivých směrech krystalografie velmi důležitá, protože tyto faktory mohou ovlivnit výpočty a měření mikroskopických napětí. U materiálů s inherentní heterogenitou mohou chyby v určení velikosti zrn mít kaskádový efekt, což ještě více komplikuje interpretaci výsledků. Hodnoty mikronapětí a kompresních/tahových napětí nejsou přímo porovnatelné, protože každé z těchto napětí zkoumá odlišné aspekty struktury materiálu.

Při provádění GIXRD měření jsou změny v úhlu naklonění rentgenového paprsku přímo propojeny s expanzí mřížky v rovině, což lze sledovat na specifických vrcholech difrakčních spekter. Pozitivní sklon této křivky naznačuje přítomnost kompresního napětí, zatímco negativní sklon ukazuje na tahové napětí. Tyto měření jsou nezbytná pro sledování vlastností a výkonu perovskitových solárních článků, kde každá změna struktury může ovlivnit konečný výstup zařízení.

Pokročilé techniky jako GIWAXS (Grazing Incidence Wide-Angle X-ray Scattering) poskytují detailní a vysoce rozlišovací informace o struktuře, krystalové orientaci a uspořádání nanostruktur. Tato metoda je v materiálových vědách široce používána a má zvláštní význam při analýze perovskitových filmů. GIWAXS umožňuje sledování dynamiky mikrostrukturálních změn, jako je krystalizace nebo stárnutí materiálů, a poskytuje cenné informace o kinetice perovskitových materiálů. Díky vysoce intenzivnímu synchrotronovému rentgenovému záření je možné měřit vzorky za milisekundové expozice, což umožňuje reálný časový záznam rychlých krystalizačních a fázových přechodů.

Například studie Hui et al. se zaměřila na korelaci mezi napětím v mřížce a vznikem fázového přechodu v CsPbI2Br perovskitových vrstvách. Napětí v mřížce často vede k anizotropnímu růstu krystalů, což může vést k strukturální nestabilitě a vzniku nežádoucí fáze. GIWAXS technika byla využita k sledování vlivu teploty na růstovou fázi všech-inorganických CsPbI2Br perovskitových filmů. Při zvyšování teploty na 55°C dosáhly tyto filmy vynikající krystalizace, která byla stabilní bez přítomnosti nežádoucí fáze.

Využití této metody nabízí nejen hluboké porozumění morfologii a krystalovým vlastnostem perovskitových filmů, ale také možnosti zlepšení jejich stability a výkonnosti v solárních článcích. V kombinaci s jinými pokročilými analytickými metodami umožňuje GIWAXS vytvářet komplexní obrázek o materiálových změnách, což je zásadní pro optimalizaci výkonu perovskitových solárních článků.

Jak fáze perovskitových materiálů ovlivňují výkonnost solárních článků?

Fázové přechody v perovskitových materiálech, jako je například přechod mezi černou a zelenou fází, mohou významně ovlivnit jejich elektronické vlastnosti, jako je pohyblivost nosičů náboje a účinnost generování excitonů. Tyto změny mohou být způsobeny řadou faktorů, včetně teplotních změn, tlaku nebo složení samotného materiálu. V důsledku toho se výzkumníci zaměřují na regulaci těchto přechodů, aby zajistili optimální výkon a stabilitu solárních článků na bázi perovskitů.

Příkladně u materiálů jako je (CH3NH3)PbI3 bylo prokázáno, že přítomnost methylammoniových iontů hraje klíčovou roli v dynamice fázových přechodů, což ovlivňuje nejen stabilitu materiálu, ale i jeho optické vlastnosti, jako je absorpce světla. Tato dynamika, pokud není správně kontrolována, může vést k degradaci materiálu, což výrazně snižuje dlouhodobou stabilitu solárních článků.

Dalším aspektem, který se musí vzít v úvahu při navrhování perovskitových solárních článků, je fenomén tzv. kinetického lapení. To znamená, že i když materiál vykazuje stabilní fázovou strukturu za určitých podmínek, může být vázán na metastabilní fázi, která není optimální pro elektrickou vodivost. Tento jev může výrazně ovlivnit účinnost článků v dlouhodobém měřítku, pokud se fázové přechody nebudou správně kontrolovat.

Jedním z způsobů, jak regulovat tyto přechody, je použití hybridních složení nebo dopantů, které mohou stabilizovat požadované fáze a minimalizovat nechtěné přechody. Například cesium a formamidium byly úspěšně použity k zajištění větší tepelné stability a odolnosti vůči vlhkosti, což je klíčové pro dlouhou životnost solárních článků. Mnoho výzkumů ukazuje, že právě tato hybridizace může přinést zásadní zlepšení nejen ve stabilitě, ale i v energetické účinnosti perovskitových solárních článků.

Přestože jsou perovskitové solární články stále ve fázi výzkumu, jejich potenciál je nesmírně slibný. S pokračujícím vývojem nových složení a metod pro kontrolu fázových přechodů se očekává, že jejich účinnost a stabilita budou i nadále růst. Je však důležité, aby se výzkumníci i inženýři zaměřili nejen na samotný materiál, ale i na prostředí, v němž bude solární článek použit, protože jeho dlouhodobá výkonnost bude do značné míry záviset na správné manipulaci s těmito fázovými přechody.

Zároveň je nezbytné, aby výzkum neustále zohledňoval skutečnost, že perovskitové materiály jsou stále velmi citlivé na vnější vlivy, jako jsou vlhkost a teplota. To znamená, že jakákoli aplikace, která bude vyžadovat jejich dlouhodobou stabilitu, musí zahrnovat sofistikované metody ochrany a kontrolu těchto faktorů. Významným směrem výzkumu je tedy nejen stabilizace materiálů, ale i návrh nových metod pro jejich efektivní výrobu a integraci do reálných solárních systémů.

Jak velikost zrn a stabilita rozhraní ovlivňují výkon perovskitových solárních článků?

Kvalita a stabilita perovskitových materiálů, konkrétně velikost zrn a vlastnosti jejich rozhraní, hrají klíčovou roli při zajišťování dlouhodobé životnosti a vysokého výkonu perovskitových solárních článků. Zatímco menší velikost zrn v perovskitových vrstvách vede k rychlejší degradaci, větší zrna a kompaktní povrch jsou výhodné pro dosažení dlouhodobé stability. Významným faktorem není pouze samotná vrstva perovskitu, ale i stabilita materiálů pro selektivní rozhraní, jakož i jejich propustnost pro vodu, které musí být pečlivě navrženy pro dosažení co nejlepší výkonnosti zařízení.

Mnoho experimentálních studií ukázalo, že přítomnost kyslíku v atmosféře může vést k degradaci výkonu solárního článku. Výsledky ukazují, že koncentrace kyslíku 1 % může během 24 hodin snížit výkon solárního článku až na 70 % původní hodnoty. Vyšší koncentrace kyslíku způsobují ještě rychlejší degradaci. Kyslík se dostává do vzorku, difuzuje mezi částice a permeuje mezery mezi nimi během několika minut. Snížením koncentrace kyslíku se obsazují jodidové vakance, což následně vede k tvorbě superoxidových druhů na povrchu částic. Tyto reakce mohou blokovat extrakci fotonů, což způsobuje rapidní pokles efektivity zařízení.

V dalších hodinách kyslík difuzuje do částic, kde vyplňuje větší množství jodidových vakancí, což může vést k úplnému strukturálnímu zničení materiálu. Problémy, které vznikají kvůli rozhraním a hranicím zrn, se ukazují jako podobné těm, které jsou způsobeny vlhkostí, což podtrhuje důležitost ochrany před těmito faktory.

Podobně UV záření, i když není přítomný kyslík nebo vlhkost, způsobuje rozklad filmu MAPbI3. Povrch perovskitového filmu se stává více n-typovým a v XPS spektru se objevuje kovový olovo, což naznačuje rozklad filmu. Tento proces je samozřejmě samoomezující, protože po určité době přestává, když přibližně 33 % celkového olova přechází do kovového stavu. Pokud je však UV záření kombinováno s kyslíkem nebo vlhkostí, degradační proces se dramaticky urychluje.

Tepelná nestabilita perovskitových materiálů se projevuje při analýzách TGA, které ukázaly, že jejich krystalová struktura je stabilní až do 300 °C, ale nad touto teplotou se rychle degraduje. Výkonnost perovskitových solárních článků často klesá už při 85 °C, což ukazuje na velkou deformaci krystalové struktury při této teplotě. Degradace začíná na hranicích zrn, což vede k přeměně hladkého povrchu na ostnaté struktury. To opět zdůrazňuje důležitost volby vhodného materiálu pro přenos děr, který může chránit perovskitové filmy před rychlou degradací.

V souvislosti s výše uvedenými problémy se ukazuje, že efektivní pasivace defektů na hranicích zrn a rozhraních je klíčová pro zlepšení výkonnosti a stability perovskitových zařízení. Pasivace defektů na těchto místech může minimalizovat ztráty způsobené rekombinací nosičů náboje a zajistit lepší energetickou účinnost článků. V posledních letech se vyvinula řada metod pro modifikaci těchto rozhraní, včetně použití Lewisových kyselin a zásad, které se vážou na podkoordinované Pb2+ ionty, což zlepšuje stabilitu a výkon perovskitových solárních článků.

Dalším pokrokem v oblasti zlepšení stability perovskitových materiálů je využívání cyanozaložených malých molekul, jako je ITIC nebo IEICO-4F, které se vážou na Pb atomy a zlepšují kinetiku růstu perovskitových krystalů, čímž se snižuje trap-assisted rekombinace a minimalizují se defekty. S tímto přístupem se dosahuje hustější a rovnoměrnější morfologie perovskitových filmů s menším množstvím defektů.