Jaký vliv mají perovskitové vrstvy na účinnost a stabilitu solárních článků?

Perovskitové materiály, zejména hybridní organicko-anorganické perovskity, získaly významnou pozornost díky svým výhodám, jako je nízká cena, laditelný zakázaný pás, možnost zpracování roztoky, vysoký molární koeficient absorpce, nízká vazebná energie excitonů a vysoká mobilita nosičů náboje. Perovskitové absorpční vrstvy hrají rozhodující roli v dosažení vysoké účinnosti konverze energie u perovskitových solárních článků (PSC). Tento text se soustředí na optimalizaci těchto vrstev pro dosažení lepší účinnosti a stability, což je klíčové pro komercializaci těchto ekologicky šetrných zdrojů energie.

Základní vlastnosti perovskitových materiálů umožňují jejich široké využití ve fotovoltaických technologiích. Jejich struktura krystalů, která je jedním z klíčových faktorů pro jejich výkon, je modulována různými inženýrskými přístupy. Mezi těmito metodami jsou nejen kompoziční inženýrství, ale i techniky zaměřené na dimenzionalitu, roztoky, napětí v materiálu, aditivní inženýrství a inženýrství rozhraní. Všechny tyto faktory společně přispívají k zajištění vysoce stabilních a efektivních perovskitových solárních článků.

Jeden z důležitých aspektů v tomto kontextu je dynamika krystalizace perovskitových materiálů, která je vysoce složitá. Složité krystalizační procesy, stejně jako modifikace rozhraní a hranic zrn, mají zásadní vliv na vlastnosti perovskitových filmů. Vědecký pokrok v této oblasti, který se zaměřuje na synergické řízení těchto aspektů, přispívá k dalšímu vylepšení výkonu článků.

Zvláštní pozornost si zaslouží i problém iontové migrace, který může mít negativní vliv na dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků. Iontová migrace nejenže ovlivňuje výkon, ale může také způsobit hysterezi v charakteristice článku. Řešení těchto problémů pomocí vhodných inženýrských metod, jako je modulace iontů a optimalizace materiálů, představuje klíčový krok k dosažení komerčně životaschopných perovskitových solárních článků.

Pokroky v těchto oblastech umožnily výrazné zlepšení vlastností perovskitových materiálů, což má za následek vyšší účinnost a stabilitu solárních článků. Zajistit dlouhodobou spolehlivost při jejich použití je klíčové pro jejich širší komercializaci. I když perovskity slibují významné zlepšení v oblasti solární energetiky, jejich přechod z laboratoří do komerčního sektoru stále vyžaduje vyřešení několika kritických výzev, zejména v oblasti stability a účinnosti na dlouhých časových horizontech.

Důležité je pochopit, že i když perovskity nabízí ohromný potenciál, komerční realizace těchto technologií bude vyžadovat nejen další výzkum, ale i vývoj nových metod pro jejich efektivní a ekonomicky udržitelné výroby. To zahrnuje jak inovace v materiálových vědách, tak i pokroky v oblasti výroby solárních článků, aby byly schopny konkurovat s tradičními fotovoltaickými technologiemi, jako jsou křemíkové solární články.

Jak lze pomocí pokročilých mikroskopických metod odhalit napětí a defekty v perovskitových tenkých vrstvách?

Technika 4D-STEM (čtyřrozměrná skenovací transmisní elektronová mikroskopie), známá také jako SED (scanning electron diffraction), umožňuje detailní mapování lokálního napětí v rozsahu několika nanometrů. Princip spočívá v tom, že se ve dvourozměrném rastru vzorkem pohybuje fokusovaný elektronový svazek a na každém bodě se zaznamená dvourozměrný difrakční obraz. V těchto obrazech se objevují Braggovy disky, jejichž pozice je určena vzdáleností atomových rovin podle Braggova zákona. Jakmile dojde ke změně napětí v krystalu, dojde k posunu těchto disků, což indikuje změnu rozteče atomových rovin. Výsledné datové sady umožňují sledovat změny d-spacing, orientace zrn a míru napětí v jednotlivých oblastech.

Dále lze ke studiu krystalografických vlastností využít metodu EBSD (electron backscatter diffraction), která je integrována do rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Pomocí bod po bodu pohybujícího se elektronového svazku po povrchu vzorku lze získat tzv. IPF mapy (inverse pole figure), které zobrazují lokální krystalové orientace. Tyto mapy mohou odhalit komplexní strukturu zrn, včetně jejich hranic, změn orientace a zejména gradientu orientace uvnitř jednoho zrna. Tento parametr, označovaný jako GOS (grain orientation spread), přímo koreluje s mírou napětí mezi zrny: vysoké hodnoty GOS ukazují na silné napětí, zatímco nízké hodnoty svědčí o jeho minimálním výskytu. EBSD tak poskytuje detailní pohled na heterogenitu napětí na úrovni jednotlivých zrn, která může zásadně ovlivnit transport náboje ve vrstvě.

Další významný poznatek vyplývá ze zjištění, že mechanické napětí ovlivňuje nejen strukturu, ale i elektronické vlastnosti, zejména šířku zakázaného pásma. V hybridních perovskitech, kde roli základní stavební jednotky hrají rohově propojené PbI6 oktaedry, způsobují tahová a tlaková napětí výrazné změny v délce a úhlech vazeb Pb-I-Pb. Tyto strukturální změny se přímo promítají do rozložení hustoty elektronových stavů, zejména na hranici valenčního a vodivostního pásma. Pomocí tlakových experimentů bylo prokázáno, že určité úrovně hydrostatického tlaku vedou ke zvýšení životnosti nosičů náboje – u MAPbI3 bylo dosaženo maxima při tlaku 0,3 GPa. To svědčí o tom, že mechanická deformace může být efektivním nástrojem pro ladění elektronických vlastností perovskitových vrstev.

Kromě strukturálních a elektronických aspektů je nutné chápat, že všechny tyto metody – SED, EBSD a PFM – jsou navzájem komplementární. Každá z nich odhaluje jiný aspekt napětí v materiálu, a pouze jejich kombinace umožňuje získat komplexní obraz o původu, prostorovém rozložení a dopadu napětí na funkčnost perovskitového zařízení. Schopnost přesně mapovat a interpretovat lokální deformace, doménovou strukturu, krystalografické orientace i změny elektronického pásma umožňuje racionální návrh stabilnějších a výkonnějších fotovoltaických systémů nové generace.

Jak ovlivňují organické ligandy strukturu a vlastnosti 2D perovskitů pro solární články?

Studium 2D perovskitů a jejich aplikací v solárních článcích ukazuje na stále rostoucí význam organických ligandů v optimalizaci jejich struktury a výkonu. Perovskity, materiály s jedinečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, se stávají hlavním zaměřením vědeckých studií, které se snaží zlepšit jejich účinnost a stabilitu. Speciálně, výzkum ukazuje, že použití různých organických aminů, jakými jsou alkylamin, piperidinové deriváty či pyridinové deriváty, významně ovlivňuje vlastnosti těchto materiálů, přičemž klíčovou roli hraje přítomnost heteroatomů v aromatických kruzích a jejich interakce s perovskitovou mřížkou.

Dalším příkladem zlepšení struktury a účinnosti perovskitů je použití 4-AEP v 2DRP perovskitech, které vykazují PCE (účinnost konverze energie) až 11,68 %. Tento výsledek je dosažen nejen díky zpomalení krystalizace, ale také díky stabilitě materiálu, která je klíčová pro dlouhodobý výkon solárních článků. Další experimenty ukázaly, že zvýšený n-hodnoty (9) perovskitů, vyrobených s použitím 4-AEP, vedly k lepšímu výkonu (PCE 9,05%) a zlepšené stabilitě, což je přičítáno schopnosti 4-AEP vytvářet intermolekulární interakce prostřednictvím vodíkových vazeb, které zpevňují strukturu materiálu.

S postupujícím vývojem se stále více vědeckých studií zaměřuje na různé druhy organických ligandů a jejich vliv na tvorbu a stabilitu 2D perovskitů. Zatímco 2DRP perovskity vykazují slibný výkon, novější 2DDJ fáze perovskitů se ukazují jako ještě výkonnější alternativy. Tyto materiály, v nichž je organické amoniové ionty spojeno s inorganickými vrstvami, eliminují mezeru Van der Waals mezi monovalentními kationty a zpevňují interakci mezi sousedními inorganickými vrstvami. Strukturálně jsou tyto perovskity odlišné od tradičních 2DRP perovskitů tím, že organické destičky jsou buď posunuty (1/2, 0), nebo vůbec nepohybují (0, 0). Tyto změny zlepšují interakce mezi vrstvami a mohou vést k lepšímu výkonu solárních článků.

Nicméně, 2DDJ perovskity čelí problémům kvantového a dielektrického zadržování, což ztěžuje disociaci excitonů a jejich transport. Tento problém však může být zmírněn použitím organických diamínových ligandů, které zkracují vzdálenost mezi inorganickými vrstvami a zlepšují tak přenos náboje. To bylo prokázáno například u perovskitů připravených s použitím propane-1,3-diaminu (PDA), kde zkrácená mezivrstva zvyšuje interakce mezi vrstvami a zároveň zlepšuje celkovou stabilitu materiálu.

Zajímavé je, že použití různých alkylaminů s různou délkou řetězce výrazně ovlivňuje morfologii a stabilitu perovskitových vrstev. Krystalová struktura perovskitů založených na PDA je velmi stabilní, přičemž u těchto materiálů bylo dosaženo PCE přes 13 %. Další výzkumy ukázaly, že dlouhé alkylaminové řetězce mohou zlepšit stabilitu materiálu za vysoké vlhkosti a při dlouhodobém osvětlování, což je důležitý faktor pro praktické využití těchto materiálů v komerčních aplikacích.

Jak synergisticky modifikovat rozhraní a zrna v perovskitových solárních článcích pro zajištění vyšší stability a efektivity

Perovskitové solární články (PSC) představují jednu z nejrychleji se rozvíjejících technologií v oblasti fotovoltaiky. K dosažení optimální výkonnosti a dlouhodobé stability těchto článků je klíčová správná úprava jak rozhraní mezi vrstvami, tak zrnitosti samotného perovskitového materiálu. Většina perovskitových solárních článků je tvořena pěti vrstvy, přičemž každé z těchto vrstev obsahuje alespoň jedno rozhraní. K těmto rozhraním patří perovskit/vrstva pro přenos elektronů (ETL), perovskit/vrstva pro přenos děr (HTL), ETL/elektroda a HTL/elektroda. Každé z těchto rozhraní hraje zásadní roli v ovlivnění výkonu článků.

Morfologie a krystalinitu perovskitové vrstvy silně závisí na povrchovém napětí těchto rozhraní, což se přímo projevuje na hustotě zkratu (Jsc). Napětí na otevřeném obvodu (Voc) je zase převážně určeno rozdílem quasi-Fermiho úrovně mezi rozhraními i a ii. Dále se na faktoru výplně (FF) podílejí odpory článku, jak sériové, tak shuntové. I když jsou všechny tyto parametry zásadní pro výkon, rozhraní mezi vrstvami a hranicemi zrn (GB) ve vrstvách polykrystalického perovskitu mají ještě větší vliv na dlouhodobou stabilitu. Tyto hranice často způsobují nereduktivní rekombinaci, což vede ke ztrátám na účinnosti a zhoršení stability.

Veškeré problémy spojené s rozhraními a hranicemi zrn v perovskitových solárních článcích mohou být vysvětleny ve fázích generace, transportu, sběru a rekombinace fotonosičů. Po osvětlení perovskitového materiálu vznikají v jeho vodivostní a valenční pásmu volní elektrony a díry. Důležité je, že perovskity mají velmi malou vazebnou energii excitonů a vysokou permitivitu, což umožňuje snadnou generaci fotonosičů. Tyto fotonosiče se následně pohybují směrem k příslušným rozhraním: elektrony k ETL a díry k HTL. Nicméně v samotné struktuře perovskitu existuje velké množství hranic zrn, kde se nacházejí hluboké úrovně pohlcující energii, což způsobuje nežádoucí rekombinaci, která negativně ovlivňuje Voc. Tento jev je klíčový pro snížení celkového výkonu solárních článků.

Rozhraní mezi perovskitem a transportními vrstvami, zejména mezi ETL a HTL, jsou dalším kritickým bodem. Poškození těchto rozhraní může vést k neoptimálnímu transportu nábojů a zvýšení resistence. K tomu přistupují i problémy jako hygroskopičnost perovskitu, což znamená, že perovskit je náchylný na vlhkost, která může snadno způsobit degradaci článku. Tyto faktory jsou zásadní pro dlouhodobou spolehlivost perovskitových solárních článků. Ačkoliv lze tento problém částečně zmírnit použitím různých passivačních látek nebo konstrukcí s větší odolností proti vlhkosti, je nutné se těmito problémy zabývat na úrovni základního výzkumu.

Současné výzkumy se zaměřují na vysoce efektivní způsoby modifikace rozhraní a hranic zrn pomocí různých chemických látek, které mají funkci passivace. Mezi nejnovější metody patří použití 2D perovskitů, iontových kapalin a různých organických amonných solí, které mají schopnost stabilizovat a zlepšit výkon na úrovni obou rozhraní – perovskit/transportní vrstva a také na úrovni hranic zrn. Také se ukazuje, že heterostruktury 2D/3D mohou výrazně zlepšit stabilitu a účinnost článků tím, že efektivně pasivují defekty v samotném materiálu.

Základním výstupem těchto výzkumů je přímé zlepšení jak stability, tak účinnosti perovskitových solárních článků, což umožňuje jejich komerční využití v širším měřítku. Nicméně, aby bylo možné dosáhnout průlomového posunu v této technologii, bude nezbytné pokračovat ve vývoji nových materiálů a technik pro pasivaci defektů na všech úrovních článků, včetně hranic zrn, rozhraní a transportních vrstev. Tímto způsobem je možné dosáhnout nejen vysoké účinnosti, ale i dlouhodobé stability, což je klíčové pro budoucnost perovskitových solárních článků.