Jak minimalizovat únik olova v perovskitových solárních článcích?

V posledních letech perovskitové solární články získaly velkou pozornost díky své vysoké účinnosti a potenciálu pro širokou komerční aplikaci. Nicméně jedním z hlavních problémů, který brání jejich masovému přijetí, je únik olova, které je součástí mnoha perovskitových materiálů. Tento problém vyvolává obavy o ekologickou udržitelnost a bezpečnost, zejména pokud jde o dlouhodobý dopad na životní prostředí a lidské zdraví. Mnohé studie se proto zaměřují na způsoby, jak minimalizovat tento únik a současně zachovat výkonnost solárních článků.

V rámci snahy o řešení tohoto problému se rozvinulo několik přístupů, které se zaměřují jak na konstrukci samotných perovskitových materiálů, tak na optimalizaci jejich stabilizace. Například využívání různých povlaků a polymerních materiálů pro encapsulaci může zabránit kontaktu perovskitového materiálu s vnějším prostředím a tím zamezit uvolňování olova. Vědecké práce ukázaly, že použití speciálních polymerů, které jsou schopné chemicky vázat olovo nebo bránit jeho migraci, může významně zlepšit stabilitu solárního článku a minimalizovat jeho ekologický dopad.

Jedním z efektivních přístupů je také konstrukce povrchů, které jsou odolné vůči vlhkosti. Vlhkost může urychlit degradaci perovskitového materiálu a tím zvýšit riziko úniku olova. Techniky, které zahrnují hydrofobní povlaky nebo speciální chemické modifikace povrchu perovskitu, pomáhají solární články chránit před vlhkostí a prodlužují jejich životnost. Další techniky zahrnují inženýrství hranic zrn v perovskitových filmech, které mohou snížit míru úniku olova tím, že stabilizují strukturu materiálu.

Kromě fyzikálních a chemických modifikací perovskitových materiálů se stále více zkoumá i role organických a anorganických aditiv. Tyto přísady mohou zlepšit schopnost perovskitových článků absorbovat světlo, což vede k lepší účinnosti, a zároveň zamezit rozkladu materiálů. Výběr správných aditiv je klíčový pro optimalizaci výkonu solárních článků při minimalizaci úniku toxických látek.

Současně se vyvíjí i metody pro zajištění trvalé stabilizace perovskitových materiálů pomocí organických a anorganických vrstev. Tyto vrstvy mohou sloužit jako bariéry proti úniku olova a zároveň podporovat stabilitu optických a elektrických vlastností perovskitu. Například vrstvy založené na kovových-organických rámcích (MOF) se ukázaly jako velmi efektivní pro zachycování těžkých kovů, včetně olova, čímž přispívají k zajištění čistoty a bezpečnosti solárních článků.

Při vývoji nových metod pro minimalizaci úniku olova je kladeno důraz i na ekologicitu použitých materiálů a procesů. To znamená, že vědecký výzkum stále více zaměřuje svou pozornost na hledání přírodních a šetrných alternativ, které mohou být stejně efektivní, ale mají menší dopad na životní prostředí.

Jaké výhody nabízí využití luminiscenčního down-shiftingu v solárních článkách?

Luminiscenční down-shifting (LDS) je proces, při kterém dochází k přeměně fotonů s vyšší energií na fotony s nižší energií, což může výrazně zlepšit účinnost solárních článků. Tento jev je zejména slibný v kombinaci s perovskitovými solárními články, které jsou považovány za jednu z nejperspektivnějších technologií pro výrobu efektivních solárních článků.

Při implementaci LDS do solárních článků je obvykle použito luminiscenční vrstvy obsahující fosforové částice nebo nanomateriály, které absorbují vysokoenergetické fotony (např. ultrafialové nebo modré světlo) a následně emitují fotony s nižší energií, často ve formě červeného nebo infračerveného světla. Tento proces nejen že zlepšuje celkovou účinnost solárního článku, ale také pomáhá snížit degradaci materiálů, které jsou citlivé na UV záření. Využití LDS může pomoci maximalizovat výkon solárních článků tím, že zlepší jejich schopnost absorbovat světlo v širším spektru.

Další oblastí, kde LDS zlepšuje výkon, je optimalizace absorpce světla. U perovskitových solárních článků je velmi důležité správně směrovat a kontrolovat světelný tok, aby se maximalizovala množství světla, které je absorbováno aktivní vrstvou článku. Využití vhodně zvolených fosforů nebo nanomateriálů pro down-shifting může zvýšit efektivitu zachycování světla tím, že přemění fotony, které by jinak prošly článkem, na fotony vhodné pro absorpci.

Navíc je třeba zdůraznit, že LDS vrstvy mohou být navrženy tak, aby byly kompatibilní s různými typy perovskitových solárních článků, včetně inverzních typů, což znamená, že lze dosáhnout univerzálnosti v aplikacích. To otevírá možnosti pro masovou výrobu a širší přijetí této technologie na trhu.

Dalším směrem výzkumu je zkoumání nanomateriálů, jako jsou kvantové tečky a grafenové kvantové tečky, které mají vysokou fotoluminiscenční účinnost a mohou se stát ideálními kandidáty pro LDS vrstvy. Tyto materiály mají potenciál nejen zlepšit účinnost down-shiftingu, ale také přinést nové možnosti pro design a flexibilitu solárních článků.

Kromě technických výhod je také důležité si uvědomit ekonomické a environmentální přínosy této technologie. Zlepšení účinnosti solárních článků přímo ovlivňuje snížení nákladů na výrobu a provoz solárních systémů, což přispívá k jejich širší dostupnosti a rozšířenému použití. To znamená, že solární energie se stává ještě konkurenceschopnější alternativou k tradičním energetickým zdrojům, což je kladný krok směrem k udržitelné energetické budoucnosti.

Jak řešit únik olova z perovskitových solárních článků a jeho environmentální dopady?

V posledních letech se perovskitové solární články (PSC) ukázaly jako velmi slibná technologie v oblasti obnovitelných zdrojů energie díky své vysoké účinnosti a relativně nízkým výrobním nákladům. Nicméně, jak se technologie vyvíjí a začíná se komercializovat, vyvstává stále více obav ohledně environmentálních rizik spojených s těmito články, přičemž klíčovým problémem je únik olova, které je součástí perovskitového materiálu. Tento problém je třeba řešit nejen z hlediska environmentálních hrozeb, ale i z pohledu lidského zdraví, protože olovo je toxické.

V některých studiích bylo odhadnuto, že v případě nasazení perovskitových solárních článků o rozsahu odpovídajícím současné spotřebě elektřiny ve Spojených státech (38 μg kWh-1 h-1) by roční spotřeba olova mohla dosáhnout až 160 tun. Pokud bychom předpokládali, že každý rok dojde k rozpadu alespoň 1 % perovskitových článků v důsledku působení vody, může to vést k ročnímu úniku 1,6 tuny olova do životního prostředí. Tento únik se bude s časem zřejmě ještě zvyšovat.

Naštěstí probíhá celá řada výzkumů zaměřených na prevenci tohoto problému, přičemž jednou z nejúčinnějších strategií je správné uzavření perovskitových solárních článků. Správné utěsnění nejen chrání samotný materiál před degradací vlivem vlhkosti, kyslíku a UV záření, ale také minimalizuje riziko úniku olova do okolí.

Jedním z nejlepších přístupů je použití epoxidových pryskyřic, které vykazují vynikající samoopravující schopnosti. Výzkum ukázal, že takové materiály výrazně snižují únik olova ve srovnání s tradičními skleněnými pokrytími. Epoxidová pryskyřice nejen že poskytuje mechanickou odolnost, ale i díky své schopnosti samostatně opravit drobné poškození, výrazně zpomaluje únik olova do vody. Podobně byla vyvinuta technika, která používá ionogely – materiály schopné absorbovat ionty olova, což pomáhá předcházet jeho úniku i v případě poškození článku. Tento přístup zajišťuje dlouhodobou stabilitu zařízení a chrání životní prostředí.

Při výběru vhodné metody pro uzavření perovskitových článků je třeba brát v úvahu několik faktorů. Mimo samotnou schopnost zabránit úniku olova a stabilizaci článků je nutné také zohlednit dlouhodobou účinnost materiálů, náklady na výrobu a jejich kompatibilitu s různými aplikacemi. V současnosti existují různé metody utěsnění, jako jsou jedno- nebo vícevrstvé hydrofobní tenké filmy, UV tuhnoucí lepidla nebo vakuové laminování skla. Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody, přičemž výběr závisí na specifických podmínkách nasazení, například na požadavcích na flexibilitu nebo dlouhodobou stabilitu. V komerčních aplikacích je stále preferováno vakuové laminování skla kvůli jeho vysoké stabilitě a dlouhé životnosti, což je klíčové pro zajištění trvalé účinnosti a ochrany před únikem olova.

Pokud jde o perspektivy, průmysl solárních článků na bázi perovskitu stále čelí výzvám, které je třeba překonat, aby se zajistila nejen vyšší účinnost a stabilita, ale i ekologická bezpečnost této technologie. Výzkum v oblasti optimalizace uzavíracích materiálů je klíčový pro dosažení širšího přijetí perovskitových solárních článků na trhu a pro minimalizaci rizik spojených s jejich dlouhodobým používáním. V tomto ohledu je důležité nejen vyvíjet nové materiály, ale také zlepšovat technologické procesy, které umožní jejich efektivní a ekologicky šetrnou výrobu a recyklaci.

Jak zlepšit dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články (PSC) představují jednu z nejvíce slibných technologií pro efektivní využívání sluneční energie, nicméně jejich dlouhodobá stabilita je stále výzvou. S cílem zlepšit odolnost těchto zařízení vůči různým stresovým faktorům byly vyvinuty různé metody a materiály, které pomáhají prodloužit jejich životnost a stabilitu v reálných podmínkách. Důležitým faktorem zůstává zajištění stability jak perovskitového materiálu, tak i dalších vrstev, které tvoří součást solárního článku.

V řadě testů byla ověřena stabilita perovskitových solárních článků v extrémních podmínkách. Například při testech tepelného stresu, kdy byly články uchovávány v peci při teplotě 80–85°C po dobu tří měsíců, vykazovaly články velmi dobrou stabilitu. I přes občasné výkyvy v jejich výkonu zůstaly fotovoltaické parametry téměř nezměněny, což ukazuje na vysokou odolnost proti tepelné degradaci. Tento test byl proveden podle protokolu ISOS-D-2, který je standardem pro testování stability solárních článků.

Zatímco struktura n-i-p (negativní-intermediární-pozitivní) byla v minulosti používána pro většinu perovskitových solárních článků, novější přístupy jako inverzní struktura p-i-n s anorganickými vrstvami pro přenos náboje vykazují lepší stabilitu vůči vlhkosti a kyslíku. Například články s p-typem NiOx a n-typem ZnO nanovrstvami, jako transportními vrstvami, vykazují mnohem lepší stabilitu než ty, které používají organické vrstvy pro transport náboje. Takové články dokonce udržují svou počáteční účinnost i při vystavení vlhkosti a vysokým teplotám po dobu až 60 dní, zatímco články s organickými vrstvami vykazují pokles účinnosti na nulu již po několika dnech.

Nedávné pokroky zahrnují také využití molekulárních aditiv, která mohou zlepšit stabilitu vnitřních rozhraní mezi perovskitovým materiálem a transportními vrstvami. Příkladem je aditivum BT-T, které bylo vyvinuto k modifikaci rozhraní mezi NiOx a perovskitem. Tato modifikace vedla k lepšímu přenosu děr a potlačení rekombinace nábojů, čímž se zlepšila stabilita a homogenita perovskitové vrstvy. Takto modifikované články vykazovaly vysokou účinnost až 23,48% a stabilitu při teplotě 100°C po dobu 100 hodin bez významné degradace.

Stabilita hole transportních vrstev (HTL) zůstává klíčovým problémem. Tradiční procesy dopování, jako je použití lithného bis(trifluoromethylsulfonyl)imidu (LiTFSI) pro zlepšení vodivosti spiro-MeOTAD, jsou časově náročné a vedou k tvorbě vedlejších produktů, které mohou zhoršit výkon článků. V reakci na tuto výzvu byly vyvinuty nové metody dopování, jako je ion-modulované (IM) radikální dopování, které umožňuje zlepšit vodivost a stabilitu bez použití hygroskopických látek, jako je LiTFSI. Tento proces prodloužil stabilitu článků na více než 1200 hodin při vysoké vlhkosti a teplotě, což představuje významný krok vpřed.

Přestože perovskitové solární články vykazují slibné výsledky v laboratořích, jejich přechod do komerčního měřítka vyžaduje další výzkum zaměřený na zajištění dlouhodobé stability pod reálnými provozními podmínkami. Tyto nové technologie a metody ukazují, že s vhodnými úpravami a vylepšeními je možné dosáhnout vyšší stability a efektivity těchto zařízení i při dlouhodobé expozici stresovým faktorům, jako je teplota, vlhkost nebo intenzivní osvětlení.