Jak inženýrství napětí ovlivňuje účinnost perovskitových solárních článků?

V posledních letech se zvýšená pozornost věnovala řízení napětí v perovskitových materiálech, přičemž různé strategie zaměřené na regulaci tohoto napětí přinesly zásadní zlepšení účinnosti konverze energie (PCE). Tato technika je zvláště důležitá u perovskitových solárních článků (PSC), kde se napětí v krystalové mřížce přímo podílí na výkonu a stabilitě zařízení. Jak se ukazuje, napětí vznikající v mřížce perovskitu může mít jak pozitivní, tak negativní vliv na výkon materiálů a přístrojů.

Jedním z největších problémů spojených s perovskitovými solárními články je vznik vnitřního napětí v důsledku neshody mezi velikostí kationu A a velikostí mřížky olovnaté halogenidové klece. Tento stres způsobuje vznik bodových defektů v perovskitové struktuře, které mohou negativně ovlivnit stabilitu materiálu a zrychlit jeho degradaci při vystavení kyslíku a vodním molekulám. Takové deformace mřížky mohou následně urychlit proces degradace perovskitu, což se stává vážnou výzvou pro dlouhodobou použitelnost solárních článků.

Strategie na snížení tohoto napětí zahrnují například zavádění poddimenzovaných alkalických kationtů, jako jsou Rb+, K+ nebo Na+, které efektivně interagují s přebytkem a nekoordinovanými halogenidy. Tento přístup nejen že omezuje migraci iontů uvnitř mřížky perovskitu, ale také zmírňuje lokální napětí a vede k výraznému zvýšení účinnosti PCE. Příkladem úspěšné aplikace tohoto přístupu je dosažení PCE až 21,5 % při použití těchto kationtů v perovskitových materiálech.

Další metodou je použití větších A-kationtů, která může neúmyslně vyvolat napětí v mřížce, což je následně možné kompenzovat zavedením menších Cs+ kationtů. Tento proces zmírňuje napětí a stabilizuje strukturu, což vede k dalšímu zvýšení účinnosti perovskitového článku. Kromě toho byly i další experimenty, které ukázaly, že zavedení pseudohalogenových aniontů, jako jsou SCN-, HCOO- nebo BF4-, může vést k dalšímu uvolnění napětí tím, že nahradí halogenové anionty v octahedrách mřížky a upraví parametry mřížky.

Kromě přímého dopování je stále populárnější i přístup známý jako „additive engineering“, tedy přidávání specifických molekul nebo polymerů do filmu perovskitu. Tato metoda se soustředí na úpravu povrchu a hranic zrn, čímž se reguluje napětí na základě externích úprav a nikoli přímé změny v samotné krystalové struktuře. Jedním z příkladů je použití dimethylsulfoxidu (DMSO) v precursorech PbBr2, což vedlo k oddálení krystalizace a snížení porozity filmu, čímž se dosáhlo kompresivního napětí v perovskitovém filmu, které bylo schopno kompenzovat napětí vzniklé během procesu žíhání. Tato metoda přinesla vynikající PCE 10,11 % pro čistě anorganický CsPbBr3 perovskit.

Všechna tato zjištění ukazují na nesmírnou důležitost řízení napětí v perovskitových materiálech pro dosažení optimální účinnosti a dlouhodobé stability solárních článků. Správně zvolená metoda regulace napětí může nejen zlepšit výkon solárního článku, ale také prodloužit jeho životnost a odolnost vůči degradaci.

Jaké jsou klíčové vlastnosti perovskitů a jejich význam pro solární články?

Perovskitové materiály představují revoluční třídu materiálů, které přitahují stále větší pozornost vědecké komunity. Jsou vysoce efektivní, snadno se vyrábějí a jejich dostupnost i cena jsou výhodné. To vše činí perovskity ideálními pro širokou škálu aplikací, od solárních článků po lasery, diody, fotodetektory, vodní štěpení, až po paměťové a kapacitní zařízení. Zejména perovskity na bázi halogenidů kovů (např. CH3NH3PbI3) vynikají vysokými absorpčními koeficienty, mobilitami nosičů náboje a dlouhými délkami difúze nosičů, což je činí vynikajícími polovodiči pro fotonické aplikace.

V oblasti solární energetiky jsou perovskity obzvláště slibné díky své schopnosti efektivně absorbovat světlo a přeměňovat ho na elektrickou energii. Solární články na bázi perovskitů mohou dosahovat výkonnosti, která je konkurenceschopná s tradičními křemíkovými články, a to při nižších nákladech na výrobu. Vysoký koeficient absorpce znamená, že tenká vrstva perovskitu může efektivně zachytit širokou škálu fotonů, což výrazně zlepšuje účinnost solárních článků.

Stabilita perovskitů, ať už v klasické trojrozměrné (3D) struktuře, nebo v nižších dimenzích (2D, 1D, 0D), je klíčovým faktorem pro jejich dlouhodobou spolehlivost. Goldschmidtův tolerance faktor t je empirickým ukazatelem stability krystalové struktury perovskitu. Tento faktor je ovlivněn velikostí iontů v A, B a X pozicích, přičemž hodnoty mezi 0,8 a 1,0 podporují stabilní perovskitovou strukturu. U některých perovskitů, jako je FAPbI3, který se nachází blízko horní hranice tohoto rozmezí, je struktura stabilní a vysoce aktivní v oblasti fotovoltaiky. Na druhé straně, materiály s nižšími hodnotami tolerance faktoru (např. CsPbI3) mají tendenci k destabilizaci.

Vědci experimentují s různými cationtovými a aniontovými substitucemi, aby stabilizovali perovskitovou fázi a zvýšili jejich fotovoltaickou účinnost. K tomu přistupují kombinací různých organických a anorganických komponent. Zajímavý směr výzkumu představují perovskity s vícevrstvými tandemy, které kombinují perovskit s jinými materiály, jako je křemík nebo Cu(In,Ga)Se2. Tento přístup může výrazně zlepšit celkovou účinnost solárního článku.

Kromě samotné stability perovskitů je důležité vzít v úvahu i technologické výzvy spojené s jejich výrobu a aplikací. Zatímco solární články na bázi perovskitů mohou dosahovat vynikajících výsledků v laboratořích, přechod na komerční výrobu si vyžaduje řešení problémů, jako je škálovatelnost výroby, stabilita materiálu během dlouhodobého provozu, a dopady na životní prostředí. Výzkum v této oblasti se soustředí na vývoj nových materiálů, které jsou stabilnější, snadněji zpracovatelné a zároveň ekologicky šetrné.

Pro zajištění dlouhodobé stability perovskitových solárních článků je rovněž kladeno důraz na kombinaci chemické a strukturalní inženýrství. Tento přístup zahrnuje vytváření nových složení perovskitů, které dokáží lépe odolávat vnějším vlivům, jako jsou teplota, vlhkost a UV záření. To je zásadní pro to, aby se perovskity staly dlouhodobě životaschopným řešením pro solární energetiku.

Jak hybridní perovskitové solární články kombinující 2D a 3D struktury zvyšují účinnost a stabilitu

Perovskity se obecně dělí na 2D a 3D varianty. 2D perovskity vznikají díky větším organickým kationům, které rozdělují metal-halogenidové oktaedry a vytvářejí tak vrstvy s organickými molekulami mezi nimi. Tyto organické vrstvy působí jako bariéry, které zlepšují stabilitu materiálu. Důležitým faktorem je také vodoodpudivost organických molekul, což výrazně zvyšuje odolnost 2D perovskitů vůči vlhkosti a zajišťuje jejich dlouhodobější stabilitu ve srovnání s 3D perovskity. Hydrofobní povaha 2D perovskitů je přičítána objemným organickým kationům, které ztěžují pohyb iontů, čímž se zlepšuje celková stabilita článků.

Přestože čisté 2D perovskity vykazují nižší optoelektronické vlastnosti než jejich 3D protějšky, stále je možné dosáhnout vysoké účinnosti kombinováním těchto dvou struktur. Výsledkem jsou tzv. 2D/3D hybridní perovskitové solární články, které vykazují lepší vlastnosti než tradiční 3D perovskity. To může být dosaženo například pasivací vad na rozhraní krystalů nebo mezi 3D perovskitem a vrstvami pro transport náboje, což vede k vyšší konverzi energie.

Důležitou výhodou hybridních perovskitů je schopnost 2D vrstvy pasivovat defekty na povrchu 3D perovskitu. Tím se zvyšuje účinnost transportu nábojů mezi vrstvami a celková výkonnost solárních článků. Například použití molekul jako 1,8-naphtyridin může vytvořit komplex s Pb2+, což vede k účinné pasivaci povrchových vad a zlepšení elektrických vlastností.

Dalším faktorem, který významně ovlivňuje výkonnost perovskitových článků, je kvalita perovskitové tenké vrstvy. Optimalizace růstu těchto filmů je klíčová pro dosažení vysoké účinnosti. K tomu přispívá zlepšení krystalinitiy, orientace krystalů, velikosti zrn a povrchové morfologie. Například přidání BA+ kationu do perovskitového prekurzoru pomáhá orientovat krystaly ve směru (100), což zlepšuje kvalitu tenkých filmů a stabilitu článků. Tímto způsobem se dosahuje nejen lepší orientace, ale i snížení defektů, což má pozitivní vliv na výkon solárního článku.

Důležitým směrem v této oblasti je i výzkum alternativních kovů, jako je cín (Sn2+), germanium (Ge2+) nebo bizmut (Bi3+), které by mohly nahradit olovo v perovskitových solárních článcích. Ačkoli tyto materiály vykazují určité výhody, stále se potýkají s problémy, jako je nízká stabilita nebo nižší účinnost konverze energie. Přesto jsou cínové perovskity slibnou alternativou, která může být zlepšena přidáním 2D složek do 3D struktury.

Dalšími zajímavými možnostmi, které zlepšují kvalitu perovskitových filmů, jsou kationty jako 4-(aminomethyl)pyridin (4AP), které mohou vytvářet hybridní 2D-3D struktury. Tento přístup zlepšuje orientaci filmů a snižuje množství defektních oblastí, což zvyšuje jejich stabilitu a účinnost.