Přítomnost solventů ve výrobě perovskitových solárních článků (PSC) je klíčovým faktorem pro jejich výkonnost a stabilitu. Různé typy rozpouštědel mohou ovlivnit strukturu tenkých filmů, morfologii krystalů perovskitu a celkovou kvalitu finálního článku. Recentní výzkumy ukazují, jak lze využít inženýrství solventů k dosažení vysoké účinnosti a stability perovskitových článků, což je klíčové pro jejich komercializaci a masovou výrobu.

Jedním z příkladů je použití MAP/H2O jako rozpouštědla pro tisk grafického perovskitového filmu na běžný kancelářský papír pomocí inkoustového tiskárny. Tento přístup ukazuje velký potenciál pro výrobu flexibilních zařízení, což znamená krok směrem k přístupnější výrobě tenkovrstvých solárních článků, jež by mohly být použity v širší škále aplikací. Využití slabé koordinační interakce mezi rozpouštědlem ACN a perovskitovými prekurzory umožňuje vytváření velkých micel, což zpomaluje růst perovskitových krystalů a vede k produkci hladkého a kompaktního tenkého filmu. Tento přístup byl použit pro výrobu PSC na bázi MAPbI2.8Br0.2, které dosáhly vysoké účinnosti (PCE) přes 21 % a dlouhodobé stability přes 1500 hodin.

Pokud jde o praktické aplikace, solventní inženýrství hraje klíčovou roli ve snaze zvýšit účinnost, stabilitu a udržitelnost perovskitových solárních článků. Prvním významným krokem je podrobnější pochopení interakcí mezi solutem a rozpouštědlem v perovskitových prekurzorech. Jak ukazují výzkumy, efektivita při větší výrobní škále stále čelí problémům spojeným s nejednotnou morfologií a vadami na velkých plochách perovskitových filmů, což vede k poklesu účinnosti při zvětšování oblasti.

Další výzvou je vývoj ekologických, bezpečných a levných systémů rozpouštědel. Mnohá z dnešních běžně používaných rozpouštědel, například DMF (dimetylformamid), jsou toxická a mohou mít negativní dopad na životní prostředí. Vývoj "zelených" rozpouštědel, jako jsou ILs (iontové kapaliny) nebo biologicky odbouratelné rozpouštědlo GVL, přináší naději na snížení ekologického dopadu při zachování vysoké výkonnosti solárních článků. I přesto, že výsledky jsou zatím méně úspěšné než u DMF, pokračující výzkum a vylepšení směsí organických rozpouštědel a ILs naznačují cestu k dalšímu zlepšení výkonu perovskitových článků.

Z hlediska stability perovskitových filmů a jejich připravenosti na dlouhodobý provoz je důležité věnovat se studiu degradačních mechanismů, které jsou stále nedostatečně prozkoumány. Rozpouštědla mohou mít zásadní vliv na stabilitu perovskitových filmů, což zahrnuje jak fázi degradace, tak reakci na různé provozní podmínky, jako jsou teplotní změny nebo vlhkost. Snížení degradace materiálu je klíčové pro prodloužení životnosti solárních článků, což je nezbytné pro jejich komerční využití v reálných podmínkách.

Pro dosažení velkovýrobní komercializace perovskitových solárních článků je nezbytné zaměřit se na několik klíčových aspektů. Zaprvé, je potřeba pochopit a kontrolovat interakce mezi solutem a rozpouštědlem v perovskitových prekurzorech. Tyto interakce mají zásadní vliv na růst perovskitových krystalů, což přímo ovlivňuje kvalitu a výkonnost připravených filmů. Vývoj pokročilých technik, jako je GIWAXS (grazing-incidence wide-angle X-ray scattering), umožní vědcům podrobněji sledovat evoluci perovskitových filmů od fáze prekurzorového roztoku až po finální tenký film.

Dalším důležitým směrem je zlepšení stability perovskitových článků a filmů, které jsou připraveny z různých typů solventních systémů. Pokud má být výroba solárních článků udržitelná a dlouhodobě ekonomická, je kladeno důraz na vývoj solventů s nízkou toxicitou, šetrných k životnímu prostředí a nákladově efektivních. Přestože výzkum zelených solventů stále probíhá, je třeba vyvinout nové směsi, které nejenže splňují ekologické požadavky, ale také dosahují konkurenceschopného výkonu na úrovni tradičních rozpouštědel, jako je DMF.

V budoucnu bude kladeno ještě větší důraz na vývoj nových technologií pro sledování a analýzu solventních systémů, které by urychlily optimalizaci směsí a poskytly nástroje pro tvorbu efektivních, stabilních a ekologických perovskitových solárních článků.

Dynamika krystalizace perovskitů: Vliv složení a zpracování na stabilitu a výkonnost

Studium dynamiky krystalizace perovskitů je klíčové pro pochopení a optimalizaci jejich využití v perovskitových solárních článcích (PSC). Mnohé výzvy při vývoji těchto materiálů spočívají ve stabilitě jejich fází a v jejich přeměnách během procesu zpracování. Krystalizace perovskitů závisí na mnoha faktorech, jako je složení, solventy, teplota, a rychlost annealingu, přičemž každý z těchto faktorů může ovlivnit konečné vlastnosti výsledného filmu.

V experimentálních studiích, kde bylo sledováno vznikání perovskitových fází z různých prekursorových fází PbI2, se ukázalo, že přítomnost DMF (dimethylformamidu) v krystalizujícím prostředí může zásadně ovlivnit přechod mezi jednotlivými polymorfními fázemi PbI2 a perovskitovými formami, jako je -FAPbI3. V případě metastaabilní fáze P2, která je solvatovanou formou PbI2·DMF, vznikal perovskit -FAPbI3 efektivně a spontánně při pokojové teplotě, a to s úplnou přeměnou po tepelném zpracování. Naopak u jiných fází PbI2 solvatů, jako je P0, se vytvářela směs perovskitového -FAPbI3 a hexagonální fáze -FAPbI3, což svědčí o tom, že tepelné zpracování nevedlo k úplné konverzi.

Zajímavým přístupem k ovlivnění krystalizace PbI2 bylo použití methylammonium formátu (MAFa) jako rozpouštědla. MAFa obsahuje silné interakce C=O···Pb, které podporují vertikální růst PbI2, čímž usnadňují vkládání formamidinium jodidu (FAI) do vrstveného PbI2 a tvorbu stabilní fáze -FAPbI3. Když byly do této směsi přidány kationty MA+, Cs+ a Rb+, bylo dosaženo výrazně vyšší stability fáze -FAPbI3 díky stabilizaci smíšených kationtů a halogenidů. Důležitým zjištěním bylo, že halogenidová segregace, která je častým problémem v perovskitech, může být efektivně kontrolována právě pomocí těchto kationtů, čímž se zajišťuje vyšší stabilita a účinnost fotovoltaických článků.

Pokud jde o all-inorganic perovskity, jako je CsPbI3, jejich hlavní výhodou je vylepšená tepelná stabilita ve srovnání s tradičními organicko-anorganickými perovskity. Solární články založené na CsPbI3 dosahují výkonnosti (PCE) přesahující 21 %, což ukazuje na jejich obrovský potenciál pro komerční využití. Nicméně stabilita těchto materiálů je stále výzvou, zejména kvůli přeměně opticky aktivních fází CsPbI3 na termodynamicky stabilnější, ale opticky neaktivní fáze. K tomu dochází při ztrátě optické aktivity, což má za následek snížení účinnosti solárních článků.

Kompozitní inženýrství pomocí menších halogenidových iontů, jako je Br− nebo Cl−, se ukázalo jako účinná metoda pro stabilizaci kubické fáze CsPbI3. Výzkumy ukázaly, že Br− reguluje krystalizační kinetiku a podporuje tvorbu černé aktivní fáze, zatímco Cl− může zlepšit krystalinitu filmu a orientační uspořádání. Zpracování těchto materiálů pod optimálními podmínkami, jako je teplota kolem 80°C při sušení inkoustu, umožnilo dosažení vysoce kvalitních filmů s minimálními defekty a bez pinholů.

Při výrobě solárních článků na bázi perovskitů je klíčové nejen zvládnout složitost přechodů mezi fázemi, ale také optimalizovat procesy zpracování, které zajišťují správné uspořádání krystalů. Častým problémem je také eliminace nežádoucí segregace halogenidů, která může vést k vytvoření nežádoucích meziproduktů a degradaci výkonu. Na základě těchto poznatků je možné dosáhnout stabilnějších a účinnějších perovskitových solárních článků, což je nezbytný krok k jejich komercializaci.

Jak mohou buněčné automaty ovlivnit plánování měst budoucnosti?
Jak zvládat poruchy krvácení v intenzivní péči: Příčiny, diagnostika a léčba
Jak umělá inteligence a kybernetická bezpečnost mění zdravotnictví
Jak měřit zakalení: Nephelometrie a turbidimetrie v analytické spektroskopii