Jak iontová migrace ovlivňuje výkon perovskitových solárních článků?

Iontová migrace je jedním z klíčových faktorů, které ovlivňují stabilitu a účinnost perovskitových solárních článků. Vzhledem k tomu, že perovskitové materiály jsou výjimečné díky své vysoké účinnosti a relativně nízkým výrobním nákladům, výzkum v této oblasti se soustředí na řešení problémů spojených s iontovou migrací, která způsobuje anomální hysterezi a degradaci výkonu těchto zařízení.

Iontová migrace v perovskitových materiálech, zejména v methylammonium-lead-iodidových (CH3NH3PbI3) perovskitech, je považována za jednu z hlavních příčin vzniku hysteréze v charakteristikách proudu-napětí (J-V), což může vést k nestabilním výkonům solárních článků. Migrace iontů je vyvolána nejen vnějšími faktory, jako je světlo, teplota a elektrické pole, ale také vnitřními procesy v materiálu, což komplikuje snahu o stabilizaci těchto článků.

Jedním z klíčových aspektů iontové migrace je její vztah k fotovoltaickému efektu. Když perovskitové vrstvy jsou vystaveny světlu, dochází k fotoindukované redistribuci halidových iontů, což ovlivňuje vodivost materiálu. Tento proces může mít za následek vznik anomálních jevů, jako je změna v charakteristikách napětí a proudu během cyklů měření, což je známé jako hysteréze. Ionty mohou migrace pod vlivem elektrických polí v solárních článcích, což vede k posunu v distribuci nábojů na rozhraní materiálů, což pak ovlivňuje výkon zařízení.

Jeden z přístupů k minimalizaci těchto problémů spočívá v použití doplňkových materiálů, jako jsou fullerény, které mohou stabilizovat povrch perovskitu a potlačit vznik hystereze. Podobně, výzkumy ukázaly, že různé strategie inženýrství solventů mohou rovněž přispět k zajištění lepší stability těchto materiálů v solárních článcích.

Iontová migrace však není problémem pouze u methylammonium-lead-iodidových perovskitů. I jiné halidové perovskity, například cesium-olovo-jodidové (CsPbI3), vykazují podobné chování, i když jejich struktura a vlastnosti mohou vést k různým dynamikám migrace iontů.

Pochopení dynamiky iontové migrace a jejího vlivu na stabilitu perovskitových solárních článků je zásadní pro jejich komercializaci a dlouhodobou funkčnost. Je důležité si uvědomit, že řešení těchto problémů nespočívá jen ve zlepšení samotného materiálu, ale také v optimalizaci celkového návrhu a technologie výroby solárních článků. To zahrnuje volbu vhodných substrátů, elektrody a dokonce i metod pro zajištění dostatečné stability článků při různých environmentálních podmínkách. Vzhledem k rychlému pokroku v oblasti výzkumu perovskitů a jejich aplikací lze očekávat, že budoucnost těchto materiálů bude znamenat výrazné zlepšení v jejich stabilitě a výkonnosti, čímž se otevře cesta pro jejich široké komerční využití.

Jak minimalizovat hysterezi v perovskitových solárních článcích: strategie pro zlepšení elektrické a krystalové kvality

Použití aditiv, jako jsou KSCN, Pb(SCN)2 a CaI2, bylo prokázáno jako efektivní při zlepšení krystalové kvality perovskitu. Tato aditiva přispívají k redukci hustoty defektů, což následně minimalizuje hysterezi. Další přístupy zahrnují ukotvení iontů na příslušné krystalové pozice, vyplňování hranic zrn a úpravu tolerance faktoru, čímž se stabilizuje krystalová struktura a eliminuje se hystereze. Tyto postupy nejen zlepšují výkon solárních článků, ale rovněž prodlužují jejich životnost.

Pro zmírnění účinků hystereze je klíčové zlepšení elektronového transportu, což je oblast, která byla tradičně problematická u perovskitů. Úprava rozhraní mezi elektronovým transportním vrstvou (ETL) a perovskitovou vrstvou je nezbytná pro efektivní extrakci elektronů. Doping materiálů, jako je TiO2, sodíkem, borem nebo lithium, může významně zvýšit jejich elektrické vlastnosti, čímž se zlepší mobilita elektronů a sníží se tak překážky pro jejich transport. Například dopování SnO2 rutheniem zlepšuje kontakt mezi vrstvami a zvyšuje mobilitu elektronů, což vede k významnému snížení hystereze.

Dalšími materiály, které se osvědčily při zlepšení vlastností ETL, jsou fullereny. Tyto materiály se vyznačují vysokou mobilitou elektronů a odpovídajícím energetickým pozičním profilem. Nahrazení tradičních kovových oxidů deriváty fullerenu, jako je C60 pyrrolidintris-karboxylová kyselina (PCBM), vede k efektivnímu potlačení hystereze. Fullerény se mohou usadit v hranicích zrn, což pasivuje povrchové defekty a urychluje elektronový transfer. Studie ukázaly, že použití dvojité vrstvy ETL (TiO2-PCBM a SnO2-PCBM) zlepšuje mezivrstvou kontakty, což dále zvyšuje rychlost extrakce elektronů a tím zlepšuje výkon solárního článku.

Další vývoj v oblasti odstranění hystereze zahrnuje i vylepšení hole transportní vrstvy (HTL). HTL by měla mít správné zarovnání energetických hladin s perovskitovou vrstvou a elektrodou, aby se zabránilo akumulaci nábojů v rozhraní. Důležitým parametrem je také vysoká mobilita děr, která zajišťuje efektivní extrakci děr. Doping materiálů, jako je spiro-OMeTAD, s přísadami, jako je Li-TFSI nebo t-BP, může výrazně zvýšit vodivost HTL, což následně zlepší výkon článku a sníží hysterezi. Stejně jako u ETL je u HTL možné použít strategii dvojité vrstvy pro odstranění hystereze. Například použití ultratenké vrstvy poly(triarylamin) (PTAA) mezi perovskitovou vrstvou a PEDOT:PSS HTL může pasivovat mezivrstvé defekty a dosáhnout solárního článku s téměř zanedbatelnou hysterezí.

Jak ovlivňuje stabilitu perovskitových solárních článků interfacialní inženýrství?

Pro dosažení komerční viability perovskitových solárních článků je nutné řešit několik klíčových výzev týkajících se jejich stability, což je dnes hlavní překážkou jejich širšího využití. Jedním z hlavních faktorů ovlivňujících stabilitu těchto zařízení je rozhraní mezi aktivní vrstvou perovskitu a transportními vrstvami, jako jsou vrstvy pro elektronový a dírový transport (ETL a HTL). Na těchto rozhraních dochází k procesu rekombinace nosičů náboje, což výrazně snižuje účinnost zařízení.

Zvýšení sériového odporu, které vzniká v důsledku těchto rekombinačních jevů, brání schopnosti nábojových nosičů dosáhnout elektrod v rámci jejich životnosti. Tento jev vede k akumulaci nábojových nosičů na rozhraní perovskit/ETL (HTL), kde se poté dochází k jejich rekombinaci s díry (elektrony), které jsou přítomny v aktivní vrstvě perovskitu. Výsledkem je výrazné zvýšení bimolekulární rekombinace, což se negativně projevuje na celkové účinnosti solárních článků.

Dalším faktorem, který ovlivňuje stabilitu perovskitových solárních článků, je migrace iontů a vniknutí vlhkosti. Polykrystalické perovskitové tenké vrstvy vykazují velký podíl nekoordinovaných iontů na rozhraní zrn a povrchu, což značně zhoršuje proces migrace iontů. V případě materiálu MAPbI3 (metylammonium olovnatý jodid) je efekt vlhkosti obzvláště problematický. Při vlhkosti dochází k reakci s perovskitem, což vede k tvorbě monohydrátu CH3NH3PbI3·H2O. Tento proces pokračuje tvorbou jehlicovitého dihydrátu (CH3NH3)4PbI6·2H2O a tvorbou olovnatého jodidu (PbI2), což vede k dalšímu zhoršení stability zařízení. Vliv vlhkosti na stabilitu perovskitu je závažný, protože tato reakce způsobuje nejen degradaci materiálu, ale také uvolnění vody, což dále podporuje rozklad perovskitu.

Přestože vlhkost je hlavní příčinou degradace, materiálová inženýrství na rozhraních nabízí cesty ke zlepšení stability. Inovativní přístupy zahrnují využití organických a anorganických materiálů pro pasivaci rozhraní, což pomáhá omezit tvorbu defektů na povrchu a zmírňuje iontovou migraci. Například fullereny a jejich deriváty, jako je C60-SAM (samovolně se skládající monovrstvy fullerenu), vykazují vynikající vlastnosti pro přenos elektronů a pasivaci povrchových defektů na rozhraní perovskit/ETL. Tato pasivace vede k výraznému snížení neredarující rekombinace, což má přímý vliv na zlepšení výkonu solárních článků.

Dalšími slibnými materiály pro pasivaci rozhraní jsou anorganické soli, které mohou účinně modifikovat rozhraní mezi perovskitem a transportními vrstvami, jako jsou TiO2, SnO2, ZnO a NiOx. Příkladem je přidání chloridových iontů, které se silně vážou na nekoordinované místo na rozhraní TiO2/perovskit a tím snižují hustotu mezivrstvových defektů. Tento proces nejen zlepšuje přenos nábojů, ale také zvyšuje stabilitu zařízení. Podobně může použití iontů draslíku (K+) na rozhraní pomoci pasivovat defekty a snížit iontovou migraci, což vede k lepší stabilitě a eliminaci hystereze v solárních článcích.

Je nezbytné pochopit, že samotná pasivace rozhraní je pouze jedním z kroků na cestě ke zlepšení stability perovskitových solárních článků. Aby bylo dosaženo skutečného zlepšení dlouhodobé stability, je nutné vyvinout technologie, které budou schopny eliminovat vliv vlhkosti, iontové migrace a dalších degradujících faktorů, které dnes brání širokému nasazení těchto slibných zařízení. Pochopení těchto jevů a implementace efektivních pasivačních materiálů a technologií jsou klíčové pro budoucnost perovskitových solárních článků, které by mohly hrát zásadní roli v energetické transformaci.

Jak ovlivňují anionty a molekuly zwitterionů rozhraní perovskitových fotovoltaických článků?

V současnosti se vývoj perovskitových solárních článků soustředí na zlepšení efektivity a dlouhodobé stability, které jsou klíčové pro jejich komerční využití. Jedním z hlavních problémů těchto článků jsou defekty na povrchu perovskitových vrstev, které vedou k významné nereduktivní rekombinaci nosičů a destabilizaci zařízení. Významnou roli v tomto procesu hrají ionty aniontů a molekuly zwitterionů, které jsou schopné zlepšit výkon a stabilitu těchto materiálů.

Ionty aniontů, jako jsou halogenidy (Br−, I−) nebo thiokyanáty (SCN−), v kombinaci s kationty alkalických kovů (Na+, K+, Rb+, Cs+) nebo amonnými ionty (NH4+) vykazují výrazný vliv na práci funkce, mobilitu nosičů a snižování povrchových defektů v oxidech transportních vrstev (CTL). Tyto anionty také pasivují defekty na rozhraní perovskitu a mohou pronikat do perovskitové vrstvy, čímž snižují defekty na hranicích zrn, což vede k efektivnějšímu transportu nosičů a jejich extrakci z rozhraní. Kromě toho se stávají bariérovou vrstvou, která zabraňuje chemickým reakcím mezi oxide-CTL a perovskitem, což napomáhá stabilitě článků.

Zwitterionické molekuly jsou dalšími účinnými materiály, které lze integrovat na rozhraní mezi SnO2 a perovskitem. Tyto molekuly jsou charakterizovány přítomností dvou iontů opačných nábojů (kationtu a aniontu), které jsou kovalentně spojeny. Zároveň mají schopnost vytvářet dipóly, které zvyšují efektivitu extrakce náboje a zlepšují stabilitu článků. Příkladem takových molekul jsou amoniokyseliny, sulfonátové betainy a karbobetainy, které mohou pasivovat defekty na rozhraní Pb–I v perovskitu a zvyšovat jeho stabilitu.

V souvislosti s touto technologií, kdy je kladen důraz na zlepšení rozhraní mezi perovskitovou vrstvou a transportními vrstvami, jsou stále častěji studovány dvourozměrné (2D) perovskity. Tyto materiály, které mají strukturu s organickými ligandy mezi anorganickými vrstvami [PbX6]4−, vykazují zvýšenou stabilitu díky větší chemické rozmanitosti a robustnosti, která chrání před vlhkostí a iontovou erozí. Při integraci těchto 2D perovskitů na 3D perovskitové vrstvy, například v rámci povrchové pasivace, se zvyšuje nejen stabilita, ale také účinnost fotovoltaického článku.

2D perovskity se obvykle vyrábějí tak, že na vrstvu 3D perovskitu se nanáší vrstva obsahující spacer kationy. Tento postup, kdy je na povrch 3D perovskitu aplikována vrstva 2D perovskitu, může eliminovat defekty jako jsou mezery nebo intersticiální atomy, které jinak vedou k nereduktivní rekombinaci a zhoršují výkon zařízení. Výsledkem je lepší separace nábojů a optimálnější energetická úroveň mezi absorpční vrstvou a vrstvou pro transport nábojů.

Vhodné výběr rozpouštědla pro přípravu těchto povrchových vrstev je předmětem diskusí. Například, 2-propanol (IPA) jako běžně používané rozpouštědlo může způsobit míchání fází 2D a 3D perovskitů, což může mít za následek nižší výkon. Alternativně, chloroform může vést k hladší struktuře a lepší výkonnosti článku. Kombinované 2D-3D perovskity jsou v současnosti vysoce efektivní a některé z nejlepších výkonů fotovoltaických článků byly dosaženy právě použitím těchto smíšených dimenzionálních perovskitů.

S postupným zvyšováním počtu vrstev v 2D perovskitu (n), se zvyšuje nejen stabilita materiálu, ale i jeho vlastnosti, přičemž s vyšším n se vlastnosti 2D perovskitů přibližují vlastnostem 3D perovskitů. To platí i pro zakázaný pás, jehož hodnota se s rostoucím n posouvá k nižším energetickým hodnotám.