Jak zlepšit využití světelných fotonů v perovskitových solárních článcích?

Výzvy, které čelí moderní fotovoltaické technologie, jsou nesmírně komplexní. V rámci energetické krize a rostoucího důrazu na obnovitelné zdroje energie se solární energie ukazuje jako jeden z klíčových nástrojů pro zajištění udržitelného budoucího rozvoje. Mezi nové a perspektivní technologie, které vykazují velký potenciál, patří solární články na bázi perovskitů. Tyto články nejen že vykazují výjimečnou účinnost, ale zároveň nabízejí ekologický a nákladově efektivní výrobní proces. Díky těmto vlastnostem se perovskitové solární články stávají jedním z hlavních kandidátů pro budoucí generace fotovoltaických zařízení.

Perovskitové solární články (PSC) dosahují účinnosti konverze energie (PCE) přes 26%, což je více než u tradičních technologií, jako jsou články na bázi křemíku, CdTe nebo Cu(In,Ga)(Se,S)2. Tento rychlý pokrok v oblasti účinnosti je výsledkem inovativních architektur zařízení, které podporují efektivní generování a extrakci nosičů náboje. Důležitým faktorem je i vylepšení procesu krystalizace perovskitových fotoaktivních vrstev, což výrazně zlepšuje elektrické vlastnosti materiálu a tím i výkon solárního článku.

Avšak i přes dosažení vysokých účinností se stále potýkáme s určitou nerovnováhou, která brání dosažení teoretického limitu účinnosti pro jednočlenné fotovoltaické zařízení, jenž činí přibližně 31%. Tento problém je spojen s vnitřními ztrátami energie v perovskitovém materiálu, konkrétně se spektrální nesouladem. V podstatě jde o to, že zatímco perovskitové materiály dobře absorbují fotony s vysokou energií, fotony s nízkou energií, které tvoří značnou část slunečního spektra, nejsou efektivně využívány.

Ztráty na optické úrovni jsou tak stále velkou výzvou. I když je sluneční spektrum poměrně široké (od 280 nm až po 2500 nm), perovskitové materiály vykazují omezené spektrální využití. Perovskity na bázi olova, které mají optimální pásmový gap kolem 1,55 eV, absorbuji fotony hlavně v viditelném spektru, což znamená, že část slunečního záření, zejména v oblasti infračervené, je nevyužita. Tato ztráta energie v oblasti nižších energií fotonů představuje zhruba 41% celkových energetických ztrát u perovskitových článků s pásmovým gapem 1,55 eV.

Kromě toho se stále intenzivně zkoumá způsob, jak minimalizovat ztráty způsobené rozptylem světla v materiálech a jak zlepšit transport nosičů náboje. I když dnes perovskitové solární články vykazují mimořádné účinnosti, klíčovým faktorem pro zajištění jejich dlouhodobé udržitelnosti a výkonu je zajištění stability materiálů. To zahrnuje například ochranu před vlhkostí, což je pro perovskitové materiály obzvlášť kritické.

Dalším krokem pro zajištění jejich širšího uplatnění bude i zajištění lepší ekologické bezpečnosti při výrobě a recyklaci těchto zařízení. Vzhledem k použití olova a dalších toxických látek v některých perovskitových materiálech se stále častěji zkoumá, jak by bylo možné minimalizovat nebo zcela eliminovat jejich negativní dopady na životní prostředí, zejména v oblasti recyklace a nakládání s odpadem. Výzkum v oblasti recyklace solárních článků a odstranění olova, jak naznačuje některé studie, představuje výzvu, která bude v budoucnu nezbytná pro široké přijetí perovskitových technologií v komerčním měřítku.

Pokud jde o zlepšení absorpce fotonů v perovskitových článcích, stále existuje mnoho možností pro inovaci. Je však třeba mít na paměti, že každá z těchto metod přináší určité výzvy, které budou vyžadovat další výzkum a testování, než se stanou běžně aplikovanými v průmyslové výrobě.

Jak zlepšit účinnost perovskitových solárních článků pomocí downkonverze a fotonového managementu?

V oblasti perovskitových solárních článků (PSC) se stále častěji hledají způsoby, jak zlepšit jejich účinnost, stabilitu a schopnost využívat širší spektrum slunečního záření. Mezi klíčové technologie, které mohou přinést významné vylepšení, patří aplikace downkonverzních fosforů (DC), využívajících unikátní elektronické vlastnosti vzácných zemin (RE), a fotonový management. Tyto přístupy mohou nejen zvýšit účinnost zařízení, ale také snížit degradaci způsobenou UV zářením a zlepšit dlouhodobou stabilitu PSC.

Jedním z hlavních problémů, kterým čelí moderní solární články, je efektivní využití UV záření. Tradiční perovskitové články obvykle nejsou schopny absorbovat UV světlo, což vede k nevyužité energii. Tento problém lze řešit implementací fosforových vrstev na bázi vzácných zemin. Fosforylací vzácnými zeminami, jako je NaYF4:Eu3+ nebo YVO4:Eu3+, lze dosáhnout rozšíření spektrálního rozsahu absorpce, což umožňuje lepší přeměnu UV záření na viditelné světlo a tím zlepšení účinnosti solárních článků.

Například NaYF4:Eu3+ upravené PSC dosáhly účinnosti konverze energie (PCE) 19,89 %, což je významné zlepšení oproti kontrolnímu článku, který vykazoval PCE 16,99 %. Kromě toho tento typ úpravy také zlepšuje stabilitu světla a snižuje degradaci způsobenou UV zářením, což je zásadní pro prodloužení životnosti zařízení. Podobně YVO4:Eu3+ zlepšilo účinnost při stabilitě výkonu až o 8,5 % v porovnání s běžnými články. Tento efekt downkonverze, kdy fosforové materiály přeměňují UV světlo na viditelné spektrum, poskytuje výrazné zvýšení fotoprůchodu (Jsc), což přímo ovlivňuje výkonnost PSC.

Další významnou technologií, která se ukazuje jako velmi účinná při optimalizaci PSC, je integrace organických fluorescentních materiálů. Tyto materiály, například fluorované fotopolymery jako V570, mohou účinně zlepšit využití UV záření a zároveň zajišťují vyšší stabilitu zařízení vůči vlhkosti a dalším environmentálním faktorům. Kromě zlepšení výkonu při využívání UV světla poskytují tyto organické materiály ochranu proti vlivu okolního prostředí, což je důležité pro zajištění dlouhodobé funkčnosti solárních článků.

Využití organických materiálů a fosforů vzácných zemin není bez výzev. Hlavními problémy jsou nízká kvantová účinnost některých organických fluorescenčních materiálů a jejich nedostatečná stabilita při dlouhodobém vystavení světlu. Některé z těchto materiálů, jak ukazují výzkumy, vykazují účinnost v rozmezí 30 až 50 %, což stále není dostatečně vysoké pro dosažení optimálního výkonu. Navíc jsou citlivé na fotodegradaci, což může významně ovlivnit celkovou životnost solárních článků.

Pro optimální fungování těchto vylepšených solárních článků je nezbytné zajistit nejen kvalitní syntézu fosforových materiálů a organických vrstev, ale i jejich dokonalou integraci do struktury perovskitového článku. To zahrnuje například správnou volbu substrátů, přítomnost vhodných mezivrstev a zajištění optimálních interakcí mezi různými složkami článku. Tato technologická vylepšení mohou vést k vývoji solárních článků nové generace, které budou schopny efektivněji využívat sluneční energii a zároveň zajišťovat dlouhou životnost a vysokou stabilitu v náročných podmínkách.

Jaká je důležitost enkapsulace perovskitových solárních článků pro jejich stabilitu?

Enkapsulace perovskitových solárních článků je klíčová pro zajištění jejich dlouhodobé stability a výkonu, zejména v podmínkách vysoké vlhkosti a teploty. Perovskitové materiály, díky své vysoké účinnosti, představují revoluční možnost pro fotovoltaiku, avšak jejich dlouhodobá stabilita stále zůstává výzvou. Aby bylo možné tyto materiály komerčně využívat, musí být řešeny problémy spojené s jejich degradací při vystavení nepříznivým podmínkám prostředí, jako jsou vysoké teploty, vlhkost nebo UV záření.

Pro ochranu perovskitových solárních článků se vyvinulo několik metod enkapsulace, které mají za úkol izolovat materiál od vnějších vlivů. Mnoho výzkumů se soustředí na vytváření bariér proti difuzi vody a vzduchu, což je zásadní pro zabránění degradačním procesům, jako je hydrolýza perovskitové vrstvy, která vede k ztrátě účinnosti. Využití materiálů, jako je polyisobutylen nebo PDMS (polydimethylsiloxan), se ukázalo jako efektivní způsob ochrany těchto článků, protože tyto materiály vytvářejí hermeticky uzavřenou vrstvu, která zabraňuje pronikání vlhkosti a zároveň umožňuje flexibilitu a trvanlivost.

Enkapsulace pomocí polymerů a kompozitních materiálů, jako je epoxidová pryskyřice nebo silikonové směsi, je dalším způsobem, jak zlepšit stabilitu perovskitových článků. Použití těchto materiálů nejenom že chrání před vlhkostí, ale také poskytuje mechanickou ochranu proti nárazům a teplotním šokům. Novější techniky, jako je použití fáze změn materiálů (PCM) nebo metoda plazmové depozice atomových vrstev (ALD), zajišťují ještě efektivnější ochranu a zlepšují celkovou životnost článků.

Zajímavým směrem výzkumu je také vytváření samo-enkapsulujících perovskitových solárních článků, kde je kombinována ochrana samotného perovskitu s jeho výrobním procesem. Tento přístup je zajímavý tím, že snižuje náklady na enkapsulaci a zároveň poskytuje efektivní ochranu proti vnějším vlivům.

Pro dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků je rovněž důležitá kontrola jejich tepelného režimu. Materiály jako Al2O3 (oxid hliníku) byly použity jako tepelné bariéry, které pomáhají udržovat optimální provozní teplotu a zároveň zabraňují degradačním procesům způsobeným teplem. Teplotní stabilita je rovněž klíčová pro zajištění efektivity během dlouhodobé operace, což je důvod, proč byly vyvinuty metody, které kombinují kontrolu teploty s bariérovými materiály.

Další výzvou je hledání rovnováhy mezi náklady na enkapsulaci a její účinností. Zatímco některé pokročilé metody, jako je ALD, poskytují vynikající ochranu, jejich vysoké náklady mohou být překážkou pro masovou produkci perovskitových solárních článků. V tomto směru je stále potřeba vyvinout efektivnější a levnější metody, které by umožnily široké využití perovskitových technologií v komerční sféře.

Přestože enkapsulace výrazně zlepšuje stabilitu perovskitových solárních článků, stále existují výzvy, které je třeba překonat. Významným směrem je vývoj solárních článků, které by byly nejen stabilní, ale také levné na výrobu, a to bez ztráty na výkonu.

Jak efektivně řídit únik olova v perovskitových solárních článcích?

V posledních letech se perovskitové solární články (PSC) staly velmi slibným materiálem pro solární energetiku díky své vysoké účinnosti a nízkým nákladům na výrobu. Nicméně, jedním z hlavních problémů, který brání širšímu komerčnímu využívání těchto technologií, je potenciální únik olova, které je součástí jejich konstrukce. Tento problém vyvolává obavy z ekologických a zdravotních rizik, což vede k intenzivnímu výzkumu a vývoji metod pro minimalizaci tohoto úniku.

Jednou z nejefektivnějších strategií pro omezení úniku olova je použití adsorpčních materiálů, které mohou zachytit Pb²⁺ ionty a zabránit jejich uvolňování do životního prostředí. Li a Zhang et al. použili transparentní fosfonátovou kyselinu DMDP na skleněné straně elektrody a polymerní film obsahující činidlo pro chelataci olova EDTMP-PEO na zadní straně zařízení. Tento dvojí adsorpční systém výrazně snížil koncentraci olova ve vodě na úroveň 0,2 ppm i při testech ve vodě s nízkým pH, což simuluje podmínky kyselých dešťů. Účinnost adsorpce se ukázala být vynikající, aniž by došlo k negativnímu ovlivnění výkonu solárního článku.

Další přístup byl použit Zhu et al., kteří kombinovali sulfonované grafenové aerogely (S-GA) s polymetylsiloxanem (PDMS) pro vytvoření těsnící vrstvy. Tato kombinace poskytla vysokou kapacitu pro adsorpci olova díky velkému povrchu aerogelu a chemickým vlastnostem silně kyselých skupin. Bylo prokázáno, že takto upravený materiál může zachytit až 99 % Pb²⁺ uvolněného z degradu­jících se flexibilních modulů, což dramaticky snižuje riziko kontaminace.

Ve snaze snížit náklady na materiály se další výzkum zaměřil na levnější alternativy. Například použití iontového gelu na bázi polyakrylové kyseliny (PAA) a iontových kapalin k adsorpci olova bylo testováno Huang et al. V těchto experimentech bylo zjištěno, že gelová vrstva nejen že účinně adsorbuje olovo, ale rovněž neovlivňuje optické vlastnosti skleněného substrátu. Testy odolnosti proti vlhkosti a tepelným cyklům ukázaly, že zařízení s touto technologií vykazují dlouhodobou stabilitu i po simulaci namáhavých podmínek.

Na straně těsnění se také ukázalo, že použití biopolyelektrolytových vrstev může zlepšit schopnost zachycovat Pb²⁺ během simulovaných dešťových podmínek. Korte et al. ukázali, že použití vrstev polyelektrolytů z biologických materiálů může snížit úniky olova až třikrát v porovnání s běžným sklem.

V posledních letech se však vyvinul nový typ adsorpčního materiálu ve formě lepivého pásu DMDP, který byl aplikován na EVA fólie. Tento pás, který se nanáší na sklo, neovlivňuje výkon solárního článku a výrazně zlepšuje schopnost zachytávat olovo během simulovaných dešťových podmínek. V testech, kde byly použity tyto pásy, se koncentrace Pb²⁺ v kontaminované vodě snížila až na 2,5 ppb, což naznačuje velmi vysokou účinnost této metody.

Z hlediska optimalizace výroby a komerčního nasazení je stále potřeba nalézt řešení, které bude snadno aplikovatelné na různé typy článků, ekonomické a vhodné pro masovou výrobu. Technologie, které umožňují efektivní řízení úniku olova bez složitých úprav výrobních procesů, budou klíčem k dosažení širší komercializace perovskitových solárních článků.