Perovskitové materiály se dnes staly jedním z největších průlomů v oblasti solární energetiky. V posledních několika letech tato třída materiálů, která se od svého objevení v 19. století transformovala z teoretického konceptu na praktickou aplikaci, vyvolává v odborných kruzích široký zájem. Nejenže mohou výrazně snížit náklady na výrobu solárních panelů, ale také zlepšit jejich účinnost, což činí solární energii ještě dostupnější pro širokou veřejnost.

Historie perovskitů začíná v roce 1839, kdy německý mineralog Gustav Rose popsal minerál s krystalovou strukturou, která dnes nese jeho jméno. Tento materiál, známý jako perovskit, má schopnost rychle reagovat na vnější podněty a přizpůsobovat své vlastnosti změnám prostředí, což je činí velmi užitečnými pro různé technologické aplikace. Ačkoliv původně nebyl tento minerál považován za materiál vhodný pro využití v energetických aplikacích, pokroky v oblasti nanotechnologií a materiálového inženýrství umožnily jeho využití pro výrobu solárních článků.

Perovskitové solární články, které dnes dominují mnoha výzkumným projektům, využívají specifickou krystalovou strukturu, která umožňuje efektivně absorbovat sluneční světlo a přeměňovat jej na elektrickou energii. Významnou výhodou perovskitových materiálů je jejich schopnost dosahovat vysoké účinnosti při nižších výrobních nákladech v porovnání s tradičními křemíkovými solárními články. Tato vlastnost je činí výhodnými pro komerční výrobu, a to i v zemích, kde je dostupnost surovin pro výrobu křemíkových článků omezená.

Dalším důležitým krokem ve vývoji perovskitových solárních článků bylo objevení možnosti výroby těchto článků za použití tenkovrstvých technologií, které umožňují snížit náklady na jejich výrobu a zároveň zvyšují jejich flexibilitu. Tenké vrstvy perovskitu mohou být aplikovány na různé povrchy, což otevírá nové možnosti pro integraci solární energetiky do každodenního života. Takové materiály lze aplikovat nejen na tradiční solární panely, ale i na okna budov, automobilové střechy nebo dokonce oblečení, což by mohlo zcela změnit způsob, jakým využíváme solární energii v budoucnosti.

Nicméně, přestože perovskitové solární články slibují revoluci v oblasti solární energetiky, existují i výzvy, které je třeba překonat. Největší obavy se týkají stabilnosti materiálů. Perovskitové materiály jsou citlivé na vlhkost, teplo a UV záření, což může vést k degradaci jejich vlastností a tím pádem k nižší dlouhodobé spolehlivosti solárních článků. Tato výzva je však v současnosti předmětem intenzivního výzkumu, a vědci neustále pracují na vylepšení stabilitiy těchto materiálů.

Významným směrem ve výzkumu je také zkoumání hybridních perovskitových materiálů, které kombinují perovskitové vrstvy s jinými materiály, například s organickými sloučeninami. Takové materiály mohou dosáhnout vyšší stability a zároveň zachovat vysokou účinnost při nižších nákladech. V současnosti se provádí výzkumy zaměřené na zlepšení životnosti těchto článků, například prostřednictvím úpravy chemického složení nebo vývoje nových metod ochrany před degradací.

V neposlední řadě je třeba zdůraznit environmentální aspekty výroby perovskitových solárních článků. Některé z prvních perovskitových materiálů obsahovaly olovo, což vyvolávalo obavy o jejich dopad na životní prostředí a lidské zdraví. Dnes se však stále více výzkumníků zaměřuje na vývoj bezolovnatých perovskitů, které by byly šetrnější k životnímu prostředí, a zároveň by si zachovaly vynikající elektrické a optické vlastnosti.

Perovskitové materiály tedy představují fascinující oblast výzkumu, která má potenciál zásadně změnit budoucnost solární energetiky. I když jsou před námi ještě některé výzvy, současný pokrok v technologii naznačuje, že perovskity mohou hrát klíčovou roli při zajišťování udržitelné a dostupné energie pro budoucí generace. Význam tohoto materiálu v kontextu solární energetiky neustále roste a bude zajímavé sledovat, jak se vyvinou nové aplikace a technologie, které ještě více rozšíří jeho využití.

Kdy se perovskity staly relevantní pro fotovoltaiku a proč zůstávají klíčovým materiálem dneška?

Zájem o perovskity jako fotovoltaické materiály je relativně nový, avšak samotný objev minerálu sahá až do 19. století. V roce 1839 byla poprvé identifikována struktura perovskitu (CaTiO₃) v ruském Uralu. Avšak skutečný vědecký zájem o halogenidové perovskity začal až koncem 20. století, kdy byly objeveny jejich slibné elektronické vlastnosti. Již v roce 1893 Wells syntetizoval sloučeniny CsPbX₃ (X = Cl, Br, I), které se později ukázaly jako základní stavební kámen pro dnešní fotovoltaické aplikace. Møller v roce 1957 potvrdil, že tyto materiály mají krystalovou strukturu typu perovskit, která může přecházet z tetragonální fáze do kubické při vyšších teplotách.

Průlom nastal v roce 1978, kdy Weber představil organicko-anorganické hybridní perovskity. Zavedení metylamoniového kationtu (MA⁺) do krystalové struktury vedlo k vytvoření materiálu homogenního na molekulární úrovni, což umožnilo propojit výhody organických a anorganických komponent. Tento koncept se stal základem pro vývoj perovskitových solárních článků.

Na přelomu tisíciletí začal Mitzi syntetizovat různé hybridní halogenidové perovskity s různými organickými kationty a použil je například v elektroluminiscenčních diodách (LED). Skutečné využití ve fotovoltaice však začalo v roce 2005, kdy Miyasaka a kolektiv úspěšně integrovali perovskit MAPbX₃ (X = Br, I) jako světelně absorbující materiál do barvivem senzibilizovaných solárních článků. Bylo dosaženo účinnosti přeměny (PCE) více než 3 %, což bylo v té době překvapivě vysoké číslo. Přesto však použití kapalných elektrolytů vedlo k rychlé degradaci článků.

Kvalitativní skok nastal v roce 2012, kdy Park a Snaith nezávisle na sobě vyvinuli pevný perovskitový solární článek – Park s využitím spiro-OMeTAD jako transportní vrstvy děr a Snaith s využitím porézního Al₂O₃ jako podpory. Tím byla výrazně zvýšena účinnost článků a zároveň jejich stabilita. V témže roce dosáhl článek s MAPbI₃₋ₓClₓ účinnosti 10,9 %, čímž se perovskity pevně usadily v centru pozornosti vědecké obce. Již v roce 2013 označil časopis Science perovskitové solární články (PSCs) za jeden z deseti nejvýznamnějších technologických pokroků roku.

Během následující dekády se díky intenzivnímu výzkumu účinnost perovskitových článků zvýšila na více než 26 %, čímž se dostala na úroveň krystalického křemíku, který byl vyvíjen více než půl století. Tento dramatický nárůst účinnosti v tak krátkém čase nemá v historii fotovoltaiky obdoby.

Základem pro fotovoltaicky aktivní perovskity je obecný vzorec ABX₃. V ideální kubické struktuře jsou A-kationty umístěny v rozích krychle, B-kationty v jejím středu a X-anionty tvoří s B-kationty oktaedra. Stabilitu této struktury lze předem odhadnout pomocí tzv. tolerančního faktoru t a oktaedrálního faktoru μ, které jsou funkcí iontových poloměrů jednotlivých atomů. Pro stabilní perovskitovou fázi platí, že t musí ležet mezi 0,81 a 1,11 a μ mezi 0,44 a 0,90.

Typickým příkladem je perovskit MAPbI₃, který má t = 0,834 a μ = 0,541, což zcela odpovídá stabilní perovskitové struktuře. Tento materiál je považován za modelový systém. Vyskytuje se ve třech fázích v závislosti na teplotě: ortorombické (pod -113 °C), tetragonální (-113 až ~57 °C) a pseudokubické (nad 57 °C). Vzhledem k běžné provozní teplotě solárních článků se fáze pod bodem mrazu ignoruje, ale přechod mezi tetragonální a kubickou fází může způsobovat mechanické napětí kvůli objemové změně krystalové mřížky.

Tato mechanická napětí společně s nízkou tepelnou vodivostí (~0,

Jaké je skutečné vítězství v životě?
Jak přežívají černí nosorožci a velbloudi v extrémních podmínkách světa?
Jaké jsou klíčové kroky při instalaci a uvedení do provozu plovoucí větrné turbíny?
Jak správně nakonfigurovat a spravovat prostředí Apache Airflow pro efektivní orchestraci úloh
Jak se mění životy pod vlivem náhody a okolností?