Jak fáze a polymorfismus perovskitů ovlivňují jejich výkon v solárních článcích?

Perovskitové materiály, díky své vynikající optoelektronické vlastnosti, se staly klíčovými komponentami v oblasti solárních článků. Tyto materiály mohou existovat v několika různých polymorfech, což znamená, že se mohou nacházet v několika krystalových fázích s odlišnými uspořádáními atomů nebo molekul. Tento jev polymorfismu má zásadní vliv na jejich optoelektronické vlastnosti, což je důvod, proč je pochopení toho, jak fáze ovlivňují výkon perovskitů, nezbytné pro optimalizaci jejich použití ve fotovoltaických zařízeních.

V rámci perovskitů byly identifikovány jak kubické, tak tetragonální struktury černé fáze, které se stabilizují při pokojové teplotě a jsou běžně využívány v vysoce efektivních perovskitových solárních článcích. Regulace fáze perovskitu nejen zvyšuje konfigurace entropie, ale také pomáhá optimalizovat tolerance faktor, což následně ovlivňuje výkonnost a stabilitu materiálu v různých podmínkách. Důležitým fenoménem je polymorfismus, který umožňuje materiálu existovat v několika krystalových fázích, což má přímý dopad na jeho optoelektronické vlastnosti.

Příklad polymorfismu můžeme vidět u anorganického perovskitu CsPbI₃, který vykazuje čtyři různé polymorfy, přičemž tři z nich jsou fotoaktivní a byly využity pro výrobu fotovoltaických zařízení. Tyto polymorfy, mezi které patří kubická fáze, tetragonální a ortorombická fáze, se liší svou stabilitou při různých teplotách. Kubická fáze (α-CsPbI₃) je stabilní při vyšších teplotách, zatímco tetragonální (β-CsPbI₃) a ortorombická fáze (γ-CsPbI₃) se objevují při nižších teplotách. V praxi je možno při výrobě solárních článků použít kombinaci různých polymorfů pro dosažení optimálního výkonu.

Pokud jde o přípravu CsPbI₃ perovskitů, spin-coating je jednou z běžně používaných metod, kdy se roztok CsI a PbI₂ v polarizovaném rozpouštědle, jako je dimethylformamid (DMF), nanese na substrát a následně zahřeje na 335°C. Tento postup však nevede přímo k tvorbě žluté fáze α-CsPbI₃ při pokojové teplotě. Místo toho CsPbI₃ vytváří metastabilní polymorfy, které se následně transformují na stabilní fázové formy. Tato polymorfní struktura může být stabilizována pomocí různých technik, jako je hybridní depozice, která kombinuje roztokovou depózici a vakuové vypařování.

Jednou z metod, jak ovlivnit strukturu perovskitu a tím zvýšit jeho výkon, je pasivace povrchu. Pasivace pomocí CsI je efektivní způsob, jak ovlivnit přechody fází a zlepšit krystalinitu perovskitového materiálu. Při pasivaci se odstraní nechtěné fáze, jako je PbI₂, což vede k výraznému zlepšení struktury a výkonu perovskitového článku. Významnou roli v tomto procesu hraje i výběr solventu a teploty zpracování, kdy vhodně zvolený teplotní cyklus může ovlivnit přechod mezi různými polymorfy, a tím optimalizovat vlastnosti materiálu.

Dále je třeba zmínit, že pasivace povrchu vede k výraznému zlepšení morfologie povrchu perovskitu, což lze pozorovat díky skenovací elektronové mikroskopii (SEM), která ukazuje na výrazně větší zrny v pasivovaných vzorcích než v kontrolních vzorcích. Tyto větší zrna mohou zlepšit elektrickou vodivost a snížit šum na povrchu materiálu. Měření pomocí XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) ukázala, že pasivace CsI vede ke změně chemického prostředí Pb, což má vliv na elektronovou strukturu materiálu.

V souvislosti s těmito metodami je důležité poznamenat, že stabilita fází perovskitu, a tedy i celkový výkon solárního článku, je silně závislá na správném řízení fáze během výroby a následné manipulace s materiálem. Kontrola polymorfismu pomocí různých metod, jako je povrchová pasivace, je klíčovým krokem v optimalizaci perovskitových solárních článků pro komerční aplikace.

Jak stabilizovat perovskity pro zvýšení životnosti solárních článků

Perovskity, konkrétně MAPbI3, jsou slibné materiály pro výrobu solárních článků díky své vysoké účinnosti konverze sluneční energie. Nicméně, jejich stabilita při vysokých teplotách a vlhkosti, stejně jako jejich degradace pod vlivem UV světla, představují velkou překážku pro jejich komercializaci. Procesy dekompozice, které jsou spouštěny teplem, světlem nebo vlhkostí, vedou k uvolňování těkavých organických látek, jako je CH3I, NH3, CH3NH2 a HI, stejně jako tvorbě nevyhnutelných produktů, mezi které patří Pb0. Tento proces je nevratný a představuje závažný problém pro dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků.

Degradace těchto materiálů je vysoce závislá na okolních podmínkách, zejména na teplotě a vlhkosti. Při vystavení perovskitových materiálů teplotám nad 85 °C dochází k rychlému rozkladu perovskitu na těkavé plyny, což zhoršuje jejich stabilitu. Tento proces je obzvláště problematický v případech, kdy se materiál dostane do kontaktu s vlhkostí nebo světlem, což způsobuje jejich rozklad na PbI2 a následně na Pb0. Tato degradace se navíc může značně zrychlit působením hydroxylových radikálů a vody, což ještě více komplikuje stabilitu perovskitů při dlouhodobém používání.

Zlepšení stability perovskitů je možné různými metodami, které zahrnují úpravy složení materiálů, jako je zavedení větších kationů nebo substituce MA kationů za FA. Perovskity na bázi FA (formamidinium) vykazují lepší termální stabilitu a schopnost decompozice při vyšších teplotách. Nicméně, samotné perovskity FA nejsou stabilní při pokojové teplotě, což limituje jejich aplikaci. Dále se ukazuje, že použití anorganických kationů, jako je Cs+, může výrazně zvýšit stabilitu materiálu, zejména v případě cesiových perovskitů, které jsou stabilní až do 580 °C a vykazují lepší odolnost proti degradaci.

I přes pokroky v oblasti zlepšování stability je stále mnoho výzev spojených s komercializací perovskitových solárních článků. Degradace pod vlivem vlhkosti, světla a tepla je stále nevyřešeným problémem, který omezuje dlouhodobou životnost těchto zařízení. K pochopení těchto procesů a vývoji nových stabilnějších perovskitů je nutné pokračovat v experimentálním a teoretickém výzkumu, který se zaměřuje na příčiny a mechanismy degradace, stejně jako na zlepšení jejich složení.

Navíc je kladeno důraz na vývoj vhodné encapsulace, která by měla chránit perovskity před degradací způsobenou vlhkostí a světlem. Správná encapsulace je nezbytná pro prodloužení životnosti těchto solárních článků a jejich efektivní fungování v reálných podmínkách. Uvedené technologie a přístupy, pokud budou úspěšně implementovány, mohou výrazně zlepšit výkonnost a stabilitu perovskitových solárních článků.