Jak ovlivňuje napětí v perovskitových solárních článcích jejich výkon a stabilitu?

Napětí v perovskitových solárních článcích (PSC) hraje klíčovou roli při určování jejich optoelektronických vlastností a stability. Tento fenomén, známý jako inženýrství napětí, ovlivňuje různé aspekty výkonu těchto materiálů a může být řízen jak vnitřními, tak vnějšími faktory. Struktura perovskitových materiálů, která vykazuje periodické deformace, je velmi citlivá na jakékoli změny v napětí, což má vliv na iontovou migraci, fázi stability a celkový výkon zařízení.

Podle studií, které se zabývaly fotoluminiscenčními analýzami, například u MAPbI3, bylo zjištěno, že aplikace napětí, ať už kompresivního nebo tažného, ovlivňuje životnost nositelů náboje. V případě tažného napětí dochází k prodloužení doby života nositelů náboje, což vede k lepší delokalizaci nositelů a zlepšení jejich vodivosti. Naopak kompresivní napětí způsobuje kontrakci mřížky, což omezuje pohyblivost nositelů náboje a zhoršuje výkon materiálu. Významným zjištěním bylo, že působení světla na perovskitové filmy způsobuje jejich expanzi, čímž se změní napětí v materiálu a dojde k uvolnění lokálního napětí, což vede k vyšší účinnosti zařízení.

Vliv světla na perovskitovou strukturu je důležitý pro zajištění stabilní a efektivní funkce solárních článků. Při intenzivní iluminaci, například při osvětlení o výkonu 25 mW/cm², se aktivace iontové migrace a změny v napětí projevují výrazným poklesem aktivační energie migrace iontů, což usnadňuje jejich pohyb a zlepšuje optoelektronické vlastnosti materiálu. Tento efekt je zvláště patrný v tažných filmech, kde dochází k poklesu aktivační energie z 0,39 eV na 0,046 eV.

V souvislosti s těmito poznatky bylo navrženo několik metod pro regulaci napětí v perovskitových solárních článcích. Jednou z nich je metoda PASP (pressure-assisted solution processing), která využívá aplikace tlaku při přípravě perovskitových filmů. Tento přístup umožňuje řídit velikost krystalů a snížit non-radiativní rekombinaci, což vede k výraznému zvýšení účinnosti solárních článků. U perovskitových článků o účinnosti 20,74 % bylo prokázáno, že i po 60 dnech stárnutí a 200 hodinách kontinuálního osvětlení si články udržely více než 90 % své počáteční účinnosti.

Je třeba si také uvědomit, že řízení napětí v perovskitových filmech není jediným faktorem ovlivňujícím jejich výkon. Důležitou roli hraje i výběr materiálů a složení perovskitu, optimalizace rozhraní a použití různých přísad, které mohou ovlivnit chování filmu během jeho tvorby i během jeho provozu. Kombinace různých přístupů pro řízení napětí, spolu s pečlivým výběrem materiálů a výrobních procesů, bude klíčová pro dosažení komerčně životaschopných perovskitových solárních článků.

Jaký vliv mají defekty na účinnost perovskitových solárních článků?

V posledních letech perovskitové solární články získaly velkou pozornost díky své vysoké účinnosti, snadné výrobě a potenciálu pro levnou výrobu solární energie. Nicméně, i přes jejich obrovský potenciál, zůstávají otázky týkající se jejich dlouhodobé stability a efektivity. Jedním z klíčových problémů jsou defekty materiálu, které mohou ovlivnit výkon těchto článků. Porozumění povaze těchto defektů a jejich vlivu na materiál je zásadní pro další zlepšení technologie.

Perovskitové materiály jsou známé svou schopností tolerovat defekty, což znamená, že nemusí nutně zcela ztratit svou funkčnost, pokud obsahují malé množství poruch. Tento jev, označovaný jako „tolerance defektů“, je v kontrastu s tradičními polovodiči, kde i malý defekt může mít zásadní negativní vliv na výkon. Důležité je si ale uvědomit, že i když perovskity mohou tolerovat určité defekty, jejich přítomnost stále ovlivňuje některé klíčové parametry, jako je difúze nositelů náboje, energetické ztráty a stabilita.

V případě perovskitů, konkrétně těch, které obsahují methylammonium olovo-iodid (CH3NH3PbI3), byly identifikovány specifické typy defektů, které mohou významně ovlivnit elektrické vlastnosti. Defekty, jako jsou mezery v mřížce nebo zadržené náboje, mohou vytvářet místní energetické stavy, které fungují jako centra recombinace, tedy proces, při kterém se elektrony a díry znovu spojí a energie se ztratí ve formě tepla nebo světla. Tento proces snižuje účinnost solárního článku, protože místo generování elektřiny se část energie ztrácí.

Existuje několik mechanismů, kterými lze tyto defekty ovlivnit. Jedním z nich je pasivace defektů, což je proces, při kterém se snažíme zmírnit negativní dopady defektů tím, že je „neutralizujeme“ chemickými látkami. Například přídavek fullerenů může pomoci zmírnit hysterezi, jev, při kterém výkon článku závisí na předchozím zatížení a vede k nevyrovnanému chování při měření výkonu. Dalšími pokusy jsou úpravy chemického složení materiálu nebo zlepšení procesů při výrobě, které mohou vést k nižšímu počtu defektů.

Vědci také zkoumali roli defektů na rozhraní zrn, což jsou oblasti, kde se setkávají jednotlivé krystalické zrna v perovskitových filmech. Na těchto místech mohou být defekty koncentrovány a mohou tak ovlivnit transport nábojů, což zhoršuje celkový výkon článků. Léčba těchto zón, například pomocí aditivních technik, může pomoci výrazně zlepšit výkon článků.

Je však také důležité si uvědomit, že i když defekty v perovskitových materiálech mohou být zdrojem problémů, není vždy snadné je jednoduše odstranit. Vývoj nových metod pro selektivní odstranění nebo pasivaci těchto defektů je stále aktivní oblastí výzkumu. Mnoho studií ukazuje, že optimalizace výroby perovskitových článků, jak v oblasti zlepšení čistoty materiálu, tak i v technologiích, které kontrolují mikrostrukturu a uspořádání krystalů, má zásadní vliv na jejich celkovou účinnost.

V oblasti perovskitových solárních článků je rovněž důležité chápat, že se jedná o dynamický výzkum. S pokračujícím vývojem technologií a metod analýzy materiálů se objevují nové možnosti pro minimalizaci defektů a zlepšení dlouhodobé stability. Vědecký pokrok v této oblasti nám může přinést nové metody pro dosažení nejen vysoké účinnosti, ale i dlouhodobé životnosti těchto solárních článků, což je zásadní pro komerční využití a širokou implementaci.

Endtext

Jak přísady ovlivňují stabilitu a účinnost perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články představují jednu z nejperspektivnějších technologií v oblasti fotovoltaiky, která v posledních letech zaznamenala významný pokrok v oblasti účinnosti a stability. Přesto stále existuje celá řada výzev, které je nutné překonat, aby tyto články mohly být komerčně rozšířeny. Jedním z klíčových aspektů této oblasti výzkumu je použití různých přísad, které mohou výrazně zlepšit nejen stabilitu perovskitových materiálů, ale také jejich výkon.

Jedním z hlavních problémů, kterým perovskitové solární články čelí, je jejich náchylnost k degradaci pod vlivem vlhkosti a tepla. V mnoha studiích se ukázalo, že určité přísady mohou stabilizovat perovskitové struktury a zlepšit jejich dlouhodobou stabilitu. Příkladem takovýchto stabilizačních přísad jsou různé halogenidové sloučeniny amoniových iontů, jako je například chlorid methylammonia (CH3NH3Cl), který stabilizuje fáze perovskitů a zároveň zvyšuje jejich výkonnost v solárních článcích.

Využití různých amoniových přísad, jako je například propylammonium chloride, bylo prokázáno jako efektivní metoda pro zvýšení stability perovskitových článků, přičemž tyto přísady mohou eliminovat defekty, které jsou často zodpovědné za degradaci materiálů pod vlivem vlhkosti. Zajímavým přístupem je také použití rubidných iontů, které výrazně zlepšují odolnost proti vlhkosti a zároveň optimalizují optické a elektrické vlastnosti perovskitových článků.

Další oblastí výzkumu je využívání organických molekul pro stabilizaci inorganických perovskitů. Například, přítomnost organických molekul, které jsou schopné se konjugovat s inorganickými složkami, může výrazně zvýšit stabilitu a výkon perovskitových článků. Tato technika se ukázala jako efektivní i pro zvýšení stability cesium a cesium-formamidinium perovskitů, které jsou známé svou vysokou stabilitou při různých klimatických podmínkách.

Některé studie se také zaměřily na optimalizaci procesů syntézy a krystalizace, které hrají klíčovou roli při zajišťování vysoké účinnosti solárních článků. Příkladem je použití guanidiniumchloridu jako aditivního činidla, které nejen zlepšuje krystalizaci, ale také stabilizuje mezifázové přechody, což vede k vyšší výkonu a stabilitě solárních článků.

Ve světle těchto pokroků je zřejmé, že výběr přísad a jejich role ve stabilizaci a zlepšení výkonu perovskitových solárních článků je neodmyslitelně spojen s dalším rozvojem této technologie. Nicméně, aby bylo možné tyto materiály komercializovat a využít v širším měřítku, bude třeba pokračovat v optimalizaci těchto přísad a jejich vlivu na vlastnosti solárních článků v reálných podmínkách.