Využití plazmonických nanostruktur pro zlepšení účinnosti perovskitových solárních článků

Významný pokrok v oblasti perovskitových solárních článků (PSC) přichází s využitím plazmonických nanostruktur, zejména kovových nanopartiklí, které mají schopnost zesílit optické vlastnosti těchto zařízení. Jedním z klíčových efektů, které tyto nanostruktury přinášejí, je zlepšení absorpce světla díky plazmonovým rezonancím (LSPR), které mohou výrazně zlepšit fotovoltaický výkon článků.

Kim et al. prokázali, že použití plazmonických stříbrných nanokrychlí v PSCs, které jsou elektromagneticky spojené s Ag zadní elektrodou, vedlo k podstatnému zlepšení krátkého zkratu proudu (Jsc) a účinnosti (PCE). Hodnoty Jsc a PCE vzrostly z 19,5 ± 0,46 mA cm^-2 na 21,4 ± 0,45 mA cm^-2 a z 11,86 % na 13,3 %, což naznačuje zlepšení optických vlastností díky plazmonickým interakcím. Nejvíce bylo toto zlepšení patrné u tenčích perovskitových vrstev, kde zlepšení absorpce světla bylo nejvíce znatelné. To potvrzuje, že u tenkých vrstev perovskitu je potenciál pro větší zisk světla a tím i vyšší účinnost.

V posledních letech se objevují studie, které ukazují na možnost minimalizace tloušťky perovskitové vrstvy díky efektu LSPR z různých plazmonických nanostruktur. Tento přístup je zaměřen na zlepšení fotovoltaického výkonu a na snížení množství materiálu potřebného k dosažení vysoké účinnosti. Studie Carretera-Palaciosa et al. zdůrazňují, že právě zlepšení absorpce světla prostřednictvím plazmonických nanokrystalů Au může významně přispět k efektivnímu využití světelného spektra a tím i zlepšení výkonu PSC.

Dalším zajímavým směrem je použití kompozitních materiálů, kdy je kov obalen dielektrickým pláštěm, což pomáhá vyhnout se nežádoucí rekombinaci nosičů náboje na rozhraní kov-perovskit. Tento přístup také ovlivňuje rezonantní frekvenci plazmonických nanopartiklí, která se posouvá směrem k delším vlnovým délkám, jak roste dielektrická konstanta materiálu. Příkladem tohoto přístupu je použití Au@SiO2 jádrových nanostruktur v PSC, které vykazují lepší absorpci světla a zvyšují výkon zařízení díky efektu fotonového recyklování. Tento efekt se prokázal zejména u článků s Au@SiO2 nanopartikulemi, kde došlo k posunu v absorpčním spektru a zlepšení účinnosti.

V neposlední řadě, zahrnutí nanoalojí, jako je Au-Ag nebo Cu-Ag, může výrazně zlepšit stabilitu a fotostabilitu zařízení. Studie Chen et al. ukázala, že kombinace těchto kovových materiálů zvyšuje dlouhodobou stabilitu PSC až o 80 % a fotostabilitu až o 200 %. Také zlepšení absorpce světla díky plazmonové rezonanci a snížení kontaktového barrieru mezi kovovými elektrody a perovskitem přispívá k lepší výkonnosti a stabilitě těchto solárních článků.

Tento výzkum ukazuje, že použití kovových a kompozitních nanostruktur je efektivní metodou pro zvýšení výkonu perovskitových solárních článků. Je však nezbytné brát v úvahu jak optické, tak elektrické efekty a zajistit rovnováhu mezi zlepšením absorpce světla a minimalizací negativních účinků na transport nosičů náboje a stabilitu zařízení.

Jak mohou plasmonické nanostruktury zvýšit účinnost perovskitových solárních článků?

Plasmonické efekty v nanostrukturách, jako jsou stříbrné nebo zlaté nanopartikule, se ukázaly jako velmi efektivní metoda pro zlepšení výkonu perovskitových solárních článků. Tyto nanostruktury dokážou výrazně zvýšit absorpci světla a přenos nábojů, což vede ke zvýšení celkové účinnosti článků. Vědci ve své práci ukázali, jak použití plasmonických struktur ovlivňuje optické vlastnosti perovskitových solárních článků a přispívá k jejich lepší výkonnosti.

Jedním z hlavních přínosů plasmonických nanopartiklí je jejich schopnost koncentrovat a šířit světlo v okolí aktivní vrstvy perovskitu. Tento efekt, známý jako plasmonové rezonance, umožňuje zachytit světlo na vlnových délkách, které jsou obvykle méně efektivní pro přímou absorpci materiálem. Plasmonové rezonance v kovových nanopartiklech jako Ag nebo Au jsou schopny zesílit optickou intenzitu v jejich blízkosti, což přispívá k vyšší absorpci světla ve fotovoltaickém materiálu.

V některých studiích byla ukázána i schopnost těchto nanopartiklí vytvářet "hot elektrony", což jsou elektrony s vysokou energií, které mohou být snadněji přeneseny do elektronového transportního materiálu a následně do elektrody. Tento efekt může výrazně zlepšit výkon perovskitových článků, a to i při nižších nákladech na výrobu díky použití jednodušších a levnějších materiálů.

Nicméně je důležité si uvědomit, že ne všechny plasmonické struktury mají stejný vliv na výkon perovskitových solárních článků. Výběr správné velikosti, tvaru a koncentrace nanostruktur je klíčový pro dosažení optimálního výkonu. Někdy může příliš vysoká koncentrace nanopartiklí vést k nežádoucím efektům, jako je rekombinace nábojů nebo ztráty kvůli neschopnosti dostatečně koncentrovat světlo v aktivní vrstvě.

Je rovněž třeba vzít v úvahu ekologické a materiálové aspekty. Mnohé současné metody zlepšení účinnosti perovskitových článků zahrnují použití kovových nanopartiklí, které mohou mít negativní vliv na životní prostředí nebo zvyšovat náklady na výrobu. Některé studie se zaměřují na alternativní způsoby výroby nanostruktur nebo na jejich recyklovatelnost, což by mohlo snížit ekologickou zátěž spojenou s výrobou těchto solárních článků.

Pro dosažení maximální účinnosti je důležité rovněž brát v úvahu i strukturu samotného perovskitového materiálu, který může reagovat na plasmonické efekty různým způsobem v závislosti na své tloušťce, morfologii a stabilitě. K tomu je nezbytné správně optimalizovat struktury solárních článků, aby byly schopny využít výhod plasmonických efektů, aniž by byly zasaženy ztrátami, které mohou vzniknout například díky povrchovým defektům nebo nesprávně nastavené vrstvě transportu nábojů.

Jaké jsou klíčové výzvy při zakrytí perovskitových solárních článků?

Při zvažování různých materiálů pro zakrytí perovskitových solárních článků (PSC) je zásadní rozumět nejen jejich vlastnostem, ale i potenciálním nevýhodám, které mohou ovlivnit dlouhodobou stabilitu a efektivitu těchto zařízení. Výzkum ukazuje, že i když některé materiály mohou zpočátku vykazovat slibné výsledky, při dlouhodobém používání mohou nastat problémy, které se projeví ve ztrátě účinnosti a degradaci.

Výzkum Dong et al. potvrzuje, že některé epoxidy vykazují lepší výsledky než jiné při testování stability za vysokých teplot (85°C) a relativní vlhkosti 65%. UV-vytvrzovaná epoxidová pryskyřice vykázala nejlepší výsledky, s nejmenší ztrátou účinnosti po zakrytí, zatímco při použití AB epoxidu byla účinnost po 48 hodinách působení světla 60%. Bracher et al. zjistili, že degradace perovskitových solárních článků nastává během fáze vytvrzování epoxidu, což naznačuje reakce mezi perovskitem a polárními rozpouštědly nebo iniciátory přítomnými v epoxidu.

Přestože silikonové kapsulanty vykazují dobrou propustnost světla a určitou odolnost proti vodě, jejich schopnost chránit perovskitové články je nedostatečná, protože perovskity jsou zvláště citlivé na vlhkost. Silikonové tmelící materiály jsou běžně používány pro těsnění optoelektronických zařízení, ale pro perovskitové články je jejich odolnost proti vodě často nedostatečná. Mnohé organické přísady v silikonu mohou také způsobit potenciální chemické problémy s organickými funkčními vrstvami článků během procesu vytvrzování, což může vést k poklesu jejich výkonu. Výzkum Liu et al. ukázal, že použití polydimethylsiloxanu (PDMS) pro zakrytí perovskitových článků na bázi nízkoteplotního uhlíkového protilehlého elektrody zlepšuje rozhraní MAPbI3/uhlík a zajišťuje stabilitu výkonu i po 3000 hodinách při pokojové teplotě.

Kapsulace metodou vakuového laminování je široce používána v průmyslu křemíkových fotovoltaických článků a zajišťuje dlouhou životnost zakrytých modulů. Tato metoda, která zahrnuje ohřev, laminování a vytvrzování, umožňuje bezpečné připojení solárních článků k sklu pomocí termoplastických polymerních materiálů. Vakuové laminování je také slibnou technikou pro PSC. Materiály jako ethylenvinylacetát (EVA) jsou běžně používány pro tuto aplikaci, kdy při vysokých teplotách EVA změkne a vyplní mezery v sestavě, čímž vytvoří efektivní ochranný obal. Při ochlazení dochází k zpětnému zpevnění materiálu, čímž vznikne mechanické zajištění mezi vrstvami. V tomto procesu se také mohou uplatnit chemické interakce, jako jsou vodíkové vazby mezi funkčními skupinami na povrchu substrátu a molekulami EVA.