Jak dopování vzácnými zeminami ovlivňuje výkonnost perovskitových solárních článků?

Bylo pozorováno, že zavedení dopingu Er3+ indukuje změnu v zarovnání zakázaného pásma v elektronových transportních vrstvách TiO2 (ETLs), což vede ke změně z 3,00 eV na 3,07 eV. Navíc TiO2 nanorodky dopované Er3+ vykazují široký rozsah absorpce od 710 nm do 1200 nm, což efektivně přeměňuje světlo na viditelné zelené. Příprava tri-dopovaných TiO2 materiálů sestávajících z Er3+, Yb3+, Li+ a Ho3+, Yb3+, Mg2+ vedla k vylepšenému emisnímu chování UC a byla úspěšně aplikována v perovskitových solárních článcích (PSC). Zavedení tri-dopovaného TiO2 (Er3+, Yb3+, Li+) vedlo k nižší hranici vodivostního pásma, což mělo za následek vyšší hodnotu Voc pro UC-TiO2 založené PSC. Zlepšený výkon PSC byl přičítán efektu UC a zvýšené účinnosti injektování elektronů.

Nedávný výzkum skupiny Song dále vylepšil UC luminescenci syntézou a spojením nanokrystalů NaYF4:Yb3+, Er3+@NaYF4:Yb3+, Nd3+ UC s plazmonickým Au nanorodovým filmem, který byl senzitizován barvivem IR-783. Na rozdíl od dříve popsaných UC nanočástic s úzkým absorpčním pásmem v blízké infračervené oblasti, organické NIR barvivo použité v této studii dokáže široce sbírat NIR světlo a efektivně přenášet zachycenou energii na UC nanokrystaly, což vede ke zvýšení intenzity fluorescence až 120krát. Důsledkem bylo, že kompozitní UC nanočástice byly úspěšně zabudovány do vrstvy SnO2 v PSC, což vedlo k významnému zvýšení PCE z 19,4 % na 20,5 %. Navíc, při soustředěné irradiaci při výkonu 1 W cm-2, byla PCE ještě více zvýšena na 21,1 %. Důkladné vyšetření odhalilo, že dominantním faktorem přispívajícím k tomuto zlepšení PCE při soustředěném slunečním záření je UC luminescence. Tento výzkum představuje velmi efektivní přístup ke zvýšení kvantového výtěžku luminescence využitého v PSC, což má zásadní důsledky pro vývoj budoucích zařízení pro koncentraci sluneční energie.

Další výzkumy prokázaly, že UC luminescence a perovskitová fotoaktivní vrstva účinně zachycují generovanou fluorescence, což podtrhuje význam UC efektu při zlepšení výkonu fotovoltaických zařízení na bázi PSC.

Kromě umístění UC materiálů v transportních vrstvách nosičů se také objevily studie zaměřené na integraci UC materiálů přímo do perovskitové fotoaktivní vrstvy. Meng et al. se zabývali kompatibilitou UC materiálů a perovskitových vrstev pomocí strategie výměny ligandů, při níž se úspěšně pěstovaly β-NaYF4: Yb3+, Er3+ nanokrystaly, které vykazovaly silnou UC fluorescence. Tyto nanokrystaly byly následně integrovány do perovskitového filmu pro aplikaci v PSC. Rozdíl v PCE mezi PSC založenými na β-NaYF4: Yb3+, Er3+ (19,70 %) a zařízeními bez těchto nanomateriálů (19,49 %) naznačuje přínos UC efektu.

Navzdory velkému potenciálu nanomateriálů v fotovoltaických aplikacích, nízká účinnost UC luminescence stále omezuje jejich praktické použití. Byly vyvinuty různé strategie pro zlepšení intenzity luminescence u nanoparticích dopovaných vzácnými zeminami, včetně modifikace hostitelských mřížek, optimalizace koncentrace dopantů, návrhu jádro/povrchových nanostruktur a spojování s povrchovými plazmony. I přesto, že kvantový výtěžek nejefektivnějších nanočástic zůstává stále velmi nízký (pod 10 %), nově objevený fenomén LSPR u silně dopovaných polovodičových nanočástic otevírá nové možnosti v oblasti plazmoniky a nabízí potenciální řešení pro zlepšení UC luminescence u UC nanočástic dopovaných vzácnými zeminami.

Jak snížit energetické ztráty v perovskitových solárních článcích pomocí řízení fotonů

Ve světle pokroku, který byl učiněn v oblasti perovskitových solárních článků (PSC), se stále více ukazuje, jak klíčová je optimalizace fotonového řízení pro zvýšení jejich účinnosti. Perovskitové solární články, přestože jsou z hlediska nákladů a výroby velmi konkurenceschopné, trpí některými limity, které zpomalují jejich širší aplikaci. Jedním z hlavních problémů je vysoká ztráta energie, která je způsobena nedostatečným zachycováním světla a neefektivním přeměňováním fotonů na elektrickou energii.

Fotografické struktury a texturace povrchu jsou klíčovými nástroji, které mohou zlepšit schopnost solárního článku zachycovat světlo. Pokud struktura povrchu solárního článku odpovídá rozměrům vlnových délek slunečního záření, lze výrazně zlepšit jeho schopnost zachytit světlo a snížit energetické ztráty. Významnou roli zde hraje také použití materiálů s vysokým indexem lomu, které mohou lépe koncentrovat světelné paprsky a tím zlepšit účinnost konverze fotonů.

Tento přístup zlepšil i flexibilitu solárních článků, které si zachovaly až 96 % své počáteční účinnosti po 200 cyklech ohýbání. To naznačuje, že použití nanostrukturovaných substrátů nejen zlepšuje optické vlastnosti článků, ale také přispívá k jejich mechanické odolnosti.

Ačkoliv textury povrchu mohou významně zlepšit účinnost perovskitových solárních článků, je nezbytné pečlivě zvážit tloušťku polovodičové vrstvy. Příliš silná vrstva může vést k vyšším ztrátám způsobeným rekombinací nositelů náboje, což by mohlo snížit účinnost článků. Proto je optimální tloušťka polovodičové vrstvy v řádu několika stovek nanometrů, což umožňuje dosažení lepší rovnováhy mezi optickým zachycením a minimálními energetickými ztrátami.

Dalším směrem, který v současnosti vykazuje potenciál pro zlepšení účinnosti PSC, je využití up-konverzních (UC) materiálů. Tyto materiály umožňují konverzi fotonů s nižší energií na fotony s vyšší energií, čímž mohou zvýšit množství energie, které je k dispozici pro generování elektrického proudu. Významný pokrok byl učiněn v oblasti použití nových senzitizátorů, jako jsou barevné nebo kvantové tečky, které umožňují efektivní UC luminescenci a zlepšují absorpci v blízké infračervené oblasti spektra.

Další přísliby výzkumu směřují k zlepšení účinnosti při down-konverzi, která umožňuje efektivní zpracování fotonů s nižší energií. Tato technologie by mohla snížit problémy spojené s úzkým excitačním pásmem a koncentrací ztrát v materiálech používaných pro tento účel. Zároveň je kladeno důraz na výběr iontů a materiálů, které mohou podporovat účinnější absorpci fotonů a minimalizovat koncentraci těchto fotonů v materiálu.

Plasmonické nanostruktury, které byly původně slibné pro řízení světla, se ukázaly jako méně efektivní v oblasti perovskitových článků, a to i přes jejich potenciál zlepšit optické vlastnosti materiálu. Z tohoto důvodu je klíčové zaměřit se na inteligentní návrh a aplikaci metalických nanostruktur, které mají specifické velikosti, tvary a morfologii, které budou efektivně podporovat interakci mezi excitony a nositeli náboje v aktivní vrstvě.

Z hlediska výroby je důležité zaměřit se na levné a efektivní metody výroby mikrostruktur, například pyramidových textur, které mohou zlepšit estetiku perovskitových solárních článků a otevřít nové možnosti pro výrobu solárních článků v různých barvách. Kromě toho může použití anti-reflexních materiálů, jako je MgF2, značně zlepšit odrazivost a účinnost solárních článků, což může pomoci v dosažení vyššího světelného využití.

Přestože pokroky v optickém návrhu a řízení fotonů přinesly mnoho slibných výsledků, stále existují výzvy, které je třeba překonat. Především bude nezbytné podrobněji prozkoumat mechanismy, které umožňují snížení energetických ztrát a optimalizaci materiálů pro vyšší účinnost. To zahrnuje hlubší porozumění tomu, jak různé materiály a struktury interagují na atomární a molekulární úrovni, a jaké jsou jejich vlivy na celkový výkon solárních článků.

Jak ovlivňuje proces enkapsulace výkon perovskitových solárních článků?

Enkapsulace perovskitových solárních článků pomocí vakuové laminace představuje jednu z klíčových metod pro zajištění jejich dlouhodobé stability. Po přípravě zařízení je enkapsulant umístěn na substrát zařízení, který je následně zakryt skleněnou vrstvou. Jakmile laminátor dosáhne předepsané teploty, celá sestava sklo-polymer-substrát je na něj přenesena. Po určitém čase aplikace vakua je zahájen laminovací proces. Jakmile je laminace dokončena, zařízení je vyjmuto, čímž umožňuje úplné ztvrdnutí enkapsulantu.

Tento proces je zkoumán v řadě studií, které se zaměřují na vliv enkapsulace na výkon a dlouhověkost solárních článků. Zejména ethylen-vinylacetát (EVA), copolymer skládající se z ethylenu a vinylacetátu, je od svého zavedení do komerčních fotovoltaických (PV) zařízení klíčovou složkou, která vykazuje vynikající propustnost pro světlo (91%) a elastické vlastnosti. Díky těmto vlastnostem je EVA v současnosti nejpoužívanějším enkapsulantem v PV průmyslu. Tato kopolymerní látka je ceněna nejen pro svou vynikající průhlednost a elastické vlastnosti, ale i pro svou nízkou teplotu zpracování a vynikající lepivost.

Avšak EVA není bez problémů, přičemž jedním z hlavních je její zbarvení, které může být způsobeno fototermální degradací přídavné látky. Hlavní degradace EVA probíhá procesy, jako je deacetylace, hydrolýza a fototermální rozklad, kterými vzniká kyselina octová. Tento materiál rovněž vyžaduje vysokoteplotní laminovací proces (130–150 °C po dobu 20–30 minut), což může způsobit termální degradaci perovskitových článků. Aby se předešlo těmto negativním reakcím, nahradili někteří vědci EVA polyolefinem (POE), který se ukázal jako vhodnější materiál pro zajištění stability zařízení.

Další výzkumy ukazují, že materiály jako PU (polyuretan), který je možné zpracovávat při teplotě kolem 80°C, mohou značně zmírnit tepelné poškození perovskitových článků. Avšak vysoké náklady na materiál a horší odolnost vůči počasí a teplu brání širší aplikaci PU v PSC (perovskitových solárních článcích). Přesto se stále jedná o slibnou alternativu, protože dokáže minimalizovat tepelný stres na články během procesu laminace.

Polyisobutylén (PIB), polymer isobutylenu, který vykazuje vynikající vodotěsnost a stabilitu vůči chemickým vlivům, se ukazuje jako účinný materiál pro použití v rolích pro těsnění. Studie ukázaly, že PIB jako „základní“ materiál pro enkapsulaci zajišťuje vysokou stabilitu a účinnost zařízení, přičemž je účinnější při zabránění pronikání vlhkosti a zajištění dlouhověkosti zařízení.

V posledních letech se ukazuje, že metoda enkapsulace s využitím PIB vykazuje lepší výsledky než tradiční metody „okrajového“ těsnění. Tato metoda dokáže účinně potlačit únik plynných dekompozičních produktů z perovskitové vrstvy, čímž dochází ke zlepšení stability zařízení. Zařízení podstoupila více než 1 800 hodin testování v podmínkách vysoké vlhkosti a 75 cyklů testu zmrazování vlhkostí, přičemž překonala požadavky standardu IEC61215:2016.

Důležitým faktorem při výběru materiálu pro enkapsulaci je rovněž teplotní roztažnost jednotlivých vrstev. Při cyklickém zahřívání a ochlazování dochází k rozdílnému chování jednotlivých vrstev, což vede k mechanickému namáhání a deformačním procesům, které mohou negativně ovlivnit výkon solárního článku. Správná volba materiálu s ohledem na jeho mechanické a optické vlastnosti může podstatně prodloužit životnost perovskitových solárních článků.

Endtext

Jak efektivně testovat a hodnotit stabilitu перовскитových solárních článků?

Významným krokem k zavedení perovskitových solárních článků (PSC) na komerční trh je zajištění jejich dlouhodobé stability a spolehlivosti. Tento proces zahrnuje nejen optimalizaci materiálů pro zakrytí, ale i vývoj standardizovaných metod pro testování jejich účinnosti. Jedním z klíčových aspektů je hodnocení schopnosti různých materiálů a technologií uchovávat výkonnost i při vystavení dlouhodobým vnějším vlivům, jako je vlhkost, teplota nebo mechanické namáhání.

Účinnost zakrytí perovskitových článků je především závislá na dvou faktorech: fyzické trvanlivosti zakrývacích materiálů a schopnosti zabránit pronikání vlhkosti nebo volných materiálů, které by mohly poškodit výkon článku. Během dlouhodobého působení různých vlivů může zakrytí podléhat fyzickým a chemickým změnám, jako je deformace, praskání, zvětšování objemu nebo koroze. Takové změny mohou vést k poklesu výkonu zařízení, nebo dokonce k jeho selhání. Například, roztažení nebo praskání materiálů může vážně ovlivnit kvalitu elektrických komponent a způsobit výpadky v elektrických vlastnostech.

Kromě toho se v prostředí s vysokou teplotou a vlhkostí mohou zakrývací materiály podrobit chemickým reakcím, které vedou k tvorbě stárnoucích vedlejších produktů. Tyto produkty mohou uniknout a kontaminovat citlivé komponenty, jako jsou obvody, což může vést k jejich poškození nebo vzniku zkratů. Důkladné sledování a analýza změn v těchto materiálech je proto zásadní pro optimalizaci designu zakrytí a výběr nových materiálů, které lépe odpovídají požadavkům na dlouhodobou stabilitu.

Vzhledem k těmto problémům je třeba vyvinout jednotné standardy pro testování stability zakrytí perovskitových článků. To je nezbytné pro umožnění objektivního hodnocení různých technologií a urychlení procesu jejich komercializace. Ačkoli v současnosti existuje několik metod pro hodnocení stability perovskitových článků, chybí jednotný soubor experimentálních procedur a parametrů, které by umožnily spolehlivé porovnání a replikaci výsledků.

Dále je důležité stanovit jasné metodiky pro hodnocení klíčových parametrů, jako je teplotní cykličnost, stabilita při expozici světlu nebo vlhkosti, a další environmentální faktory. Například při testování odolnosti článků proti vlhku a teplu je kladeno důraz na kontrolu relativní vlhkosti a teploty, což je klíčové pro reálné podmínky, v nichž budou články používány.

V oblasti testování existuje několik různých přístupů, které zahrnují nejen laboratorní testy, ale i simulace reálného prostředí. Mezi tyto testy patří například ISOS-D (dark storage), který simuluje dlouhodobé skladování v temnu při běžné teplotě, nebo ISOS-L (light soaking), který testuje stabilitu článků při expozici světlu. Každý z těchto testů má svou specifickou metodiku, která umožňuje detailní analýzu stability při různých podmínkách.

Stabilita perovskitových solárních článků tedy závisí na kombinaci kvalitního zakrytí, pokročilých testovacích metod a výběru vhodných materiálů. Bez systematického hodnocení a standardizovaných testů by bylo obtížné dosáhnout komerčního úspěchu a zajistit, že tyto solární články budou dlouhodobě spolehlivé a efektivní v reálném světě.