Jedním z nejvýznamnějších problémů perovskitových solárních článků (PSC) je výskyt J–V hystereze, která ztěžuje přesné měření jejich účinnosti a stabilitu výkonu. Hysteréze vzniká zejména v důsledku migrace iontů a přítomnosti defektů v perovskitové vrstvě. Ukazuje se však, že existují účinné metody, jak tento jev minimalizovat nebo zcela eliminovat. Klíčem je optimalizace krystalinity, řízení složení perovskitu a pasivace defektů.

Zvětšení velikosti zrn a lepší krystalinita jsou přímými cestami k redukci hustoty defektů a omezení iontové migrace. Lepší krystalická struktura poskytuje méně pastí pro nosiče náboje, což vede ke stabilnějším elektrickým charakteristikám. Řízený proces žíhání perovskitových filmů při vhodné teplotě a čase, například 150 °C po dobu 30 minut, zvyšuje míru uspořádání a velikost zrn. Solventní žíhání s dimethylformamidem (DMF) dále podporuje růst krystalů. V některých případech polymerně asistovaný růst krystalů zvyšuje velikost zrna z 0,75 µm na více než 1,25 µm. Tyto změny mají přímý dopad na potlačení hystereze.

Neméně důležitá je změna samotného složení perovskitového materiálu. Přídavek nadbytečného PbI₂ během syntézy slouží jako pasivační činidlo pro defekty a zároveň napomáhá lepší orientaci krystalů. Smíšené kationtové systémy, například kombinace FAPbI₃ s MAPbBr₃ nebo zavedení cesia do FAPbI₃, prokazatelně zvyšují kvalitu filmu a snižují iontovou migraci. Přechod od MA-bohatých ke FA-bohatým složením perovskitů přináší příznivou změnu v orientaci krystalů, která je termodynamicky stabilnější a méně náchylná k defektům.

Pasivace defektů přidáním aditiv hraje rovněž zásadní roli. Specifická aditiva, například KI, RbI nebo CsI, výrazně redukují pastičkové stavy jak v objemu, tak na rozhraní. K⁺ ionty mohou vstupovat do mezipoložek nebo nahrazovat A-sitové kationty v krystalové mřížce, čímž podporují růst krystalů a snižují povrchovou energii. V některých strukturách došlo po zavedení KI k růstu zrn až na velikost 1 µm, což zásadně mění morfologii perovskitové vrstvy.

Optimalizace transportních vrstev je další významnou strategií. Doping mezoporézního TiO₂ lithiem, sodíkem nebo boranovými sloučeninami zvyšuje pohyblivost elektronů a zlepšuje kontakt mezi perovskitem a transportní vrstvou. Použití alternativních materiálů pro elektronový transport, jako je C₆₀-pyrrolidinové deriváty nebo PCBM, výrazně zlepšuje extrakci nosičů náboje. Stejně tak dopování Spiro-MeOTAD vodivost zvyšujícími přísadami, například Zn-TFSI₂ nebo H₃PO₄, vede ke zlepšení děrové mobility.

Významným aspektem je i přítomnost mezifázových dipólů, které lze cíleně zavádět pro modifikaci rozhraní mezi jednotlivými vrstvami. Tyto dipóly mohou ovlivnit zabudované elektrické pole v zařízení, což zvyšuje selektivitu extrakce nosičů náboje a snižuje zpětnou rekombinaci.

Z výše uvedených strategií vyplývá, že k eliminaci hystereze je nutný komplexní přístup zahrnující jak vylepšení perovskitové vrstvy samotné, tak i optimalizaci přilehlých vrstev a rozhraní. Nejde o jediné opatření, ale o synergický účinek více faktorů, které společně vedou k vyšší stabilitě a reprodukovatelnosti zařízení.

Důležité je si uvědomit, že velikost zrna sama o sobě není vše. Kritickým faktorem je rovněž orientace krystalů, rovnoměrnost vrstvy a její morfologická soudržnost. Někdy větší zrna mohou vést k hrubší morfologii a vytváření mikroskopických mezer, pokud není proces formování řízený. Dále je třeba brát v úvahu vliv přísad nejen na krystalinitu, ale i na dlouhodobou stabilitu a kompatibilitu s dalšími komponenty zařízení. Ne všechna aditiva jsou chemicky stabilní při provozních podmínkách, což může vést k degradaci výkonu v čase.

Jak synergistická modifikace defektů na rozhraních a zrnách zlepšuje účinnost perovskitových solárních článků?

Použití aminů (například -NH2) nebo dalších dusíkatých funkčních skupin pro pasivaci perovskitových materiálů se ukázalo jako účinné při zlepšování jejich výkonu. Strategie dvojí pasivace indukovaná trometamolem (TIDP) dokáže opravit jak objemové, tak povrchové defekty perovskitů. Organická malá molekula trometamol, obsahující aminoskupinu (-NH2) a tři hydroxylové skupiny (-OH), funguje jak chemický přídavek, tak i prostředek pro modifikaci povrchu. Bylo zjištěno, že trometamol jako aditivum účinně redukuje iontové defekty a zlepšuje velikost zrn perovskitů prostřednictvím koordinace Pb2+/-NH2 a vodíkových vazeb I-/-OH. Koordinační a vodíkové vazby mezi trometamolem a CH3NH3PbI3 (MAPbI3) vedou k efektivní pasivaci defektů vrstvy perovskitu a potlačují defekty indukované neredukčním rekombinačním procesem. Kromě již zmíněné interakce Lewisových kyselin a bází byly zaznamenány i další synergické účinky, které umožňují modifikaci povrchu perovskitů a rozhraní perovskit/ETL (elektronový transportní materiál).

Girardův Reagent T (GRT), obsahující různé funkční skupiny, byl vybrán k modifikaci nanopartic SnO2. Tato modifikace výrazně redukovala objemové a mezifázové neredukční rekombinační ztráty tím, že potlačila shlukování nanopartikulí, zlepšila elektronické vlastnosti filmů SnO2 a pasivovala mezifázové defekty. Molekuly GRT obsahují několik různých funkčních skupin. Skupina karbonylu (-C=O) blokuje shlukování nanopartikulí SnO2, čímž podporuje jejich rovnoměrnou disperzi a pasivuje kyslíkové vakance ve SnO2. Quaternární amonný chlorid usnadňuje růst krystalů perovskitu a tím zlepšuje kvalitu perovskitových filmů. Hydrazinová funkční skupina v molekulách GRT zlepšuje disperzi nanopartikulí SnO2 a mezifázový kontakt mezi ETL a vrstvou perovskitu prostřednictvím tvorby vodíkových vazeb.

Modifikace ETL na bázi TiO2 je také nezbytná. Substituce podkoordinovaných titanových atomů borovými ionty účinně pasivuje kyslíkové vakance ve vrstvě TiO2, což vede k vyšší elektronové mobilitě a vodivosti, a tím výrazně usnadňuje přenos elektronů. Iontová vazba, která zahrnuje úplný přenos jednoho nebo více valenčních elektronů mezi atomy, může být efektivní technikou pasivace díky nabité povaze defektů v perovskitu. Pozitivně nabité defekty (vacance halogenů, podkoordinované Pb2+) a negativně nabité defekty (vacance kationů, PbI3- antisite) obvykle existují v perovskitových vrstvách současně. Proto jsou soli obsahující kationty a anionty často používány k pasivaci pozitivně a negativně nabitých defektů zároveň. Selektivní zavedení nabitých komplementárních iontů do konkrétního defektu může k defektu přilnout a efektivně eliminovat odpovídající záchytné stavy.

V poslední době se modifikace pomocí iontových vazeb těší velkému zájmu, protože se ukázala jako účinný způsob zlepšení stability a účinnosti perovskitových solárních článků. Různé organické amonný kationty, jako butylammonium (BA+), octylammonium (OA+), ethylammonium (EA+) nebo fenylethylammonium (PEA+), byly prozkoumány pro jejich schopnost zlepšit výkon a stabilitu zařízení. Tyto organické amonný kationty nejen že vytvářejí perovskitové filmy s výrazně lepšími krystalizačními vlastnostmi, ale také se vážou na zrnách a povrchu perovskitových vrstev a pasivují defekty, což vede ke snížení neredukční rekombinace a prodloužení životnosti nosičů náboje.

Zwitteriontové molekuly, které obsahují jak pozitivní organické kationty, tak negativní halogenové/pseudohalogenové anionty, jsou příkladem molekul, které mohou dosáhnout synergistické pasivace. Pozitivní organické kationty těchto molekul se mohou navázat na povrch perovskitových filmů a ETL prostřednictvím vodíkových nebo iontových vazeb, což nejen pasivuje defekty v perovskitu a ETL, ale také snižuje pracovní funkci povrchu ETL, čímž usnadňuje přenos nábojů. Negativně nabité halogenové/pseudohalogenové anionty mohou regulovat krystalizační chování perovskitů a zaplňovat vakance v perovskitu, což je užitečné pro získání filmů bez pinhole a zlepšení životnosti nosičů náboje.

Vedle organických amonných solí byly také použity nové sulfonium soli (například ((2-carboxyethyl) dimethyl sulfonium chloride, CDSC)) k stabilizaci skrytých rozhraní pasivací mezifázových defektů a optimalizací zarovnání energetických hladin. Výsledkem bylo zlepšení účinnosti a stability ve srovnání s kontrolními zařízeními. Kromě organických solí byly také použity anorganické soli, jako jsou kationty alkalických kovů (Li+, Na+, K+), které se ukázaly jako velmi účinné modifikační materiály pro simultánní pasivaci povrchu a rozhraní prostřednictvím iontových vazeb. Například Li+ ionty se ukázaly jako schopné difundovat do perovskitových filmů z rozhraní perovskit/ETL, což přispívá k usnadnění transportu a extrakce nosičů.

Tato pasivační strategie vedla k významnému zlepšení výkonu i stability perovskitových solárních článků a poskytla nové možnosti pro jejich aplikace v oblasti obnovitelné energetiky.

Jakou roli hrají přírodní zvuky v noci a jak se vyvíjí svět nočních tvorů?
Jaké výpočetní a vědecké možnosti nabízejí celulární automaty?
Jaké tajemství skrývá nenápadná lží?