Povrchová plazmonová rezonance (SPR) je jev, který se v posledních letech stal předmětem intenzivního výzkumu v oblasti solární energetiky. Jejím hlavním přínosem je možnost zvýšení efektivity perovskitových solárních článků (PSCs), což je téma, které v současnosti zaujímá významné místo v technologických inovacích. Solární články založené na perovskitových materiálech si získávají stále větší pozornost díky své vysoké účinnosti a možnosti využití různých nanostruktur pro zvýšení jejich výkonu. Mezi těmito nanostrukturami se zejména vyzdvihují plazmonické nanostruktury, které mohou zásadně ovlivnit optické i elektrické vlastnosti těchto článků.

Správné vyvážení mezi optickými vlastnostmi (fluorescenční účinnost, průhlednost, vlnová délka absorpce) a elektrickým výkonem je pro dosažení co nejvyšší účinnosti PSCs naprosto klíčové. Tento aspekt je obzvláště důležitý při aplikaci plazmonických nanostruktur, které mohou zlepšit jak absorpci světla, tak účinnost konverze energie.

Plazmonické nanostruktury, zejména kovové nanokuličky, vykazují silné rozptylování světla při vlnových délkách blízkých plazmonové rezonanci. Tento jev, známý jako lokální povrchová plazmonová rezonance (LSPR), nastává, když frekvence dopadajících fotonů odpovídá rezonanční frekvenci kovových nanopartiklí. Plazmony excitované v kovových nanopartiklích mají tendenci zůstat lokalizovány, což znamená, že nemohou proudit v rámci nanostruktury, což je charakteristické pro LSPR. Tento jev může být využit k nasměrování excitovaných fotonů zpět do aktivního materiálu solárního článku, což vytváří efekt "recyklace fotonů" a zlepšuje tak celkový výkon zařízení.

Podle teoretických studií je klíčovým faktorem pro zajištění optimální polarizovatelnosti nanopartiklí jejich velikost a materiálové vlastnosti. Jak ukazuje výpočtový model, polarizovatelnost sférických částic dosahuje maxima, když je dielektrická funkce prostředí em rovna -2 dielektrické funkci nanopartiklí ep. Tento stav vytváří podmínky pro rezonanční efekt, který je základem pro maximální využití plazmonických vlastností.

Jedním z hlavních důvodů, proč jsou kovové nanostruktury tak účinné v solárních článcích, je jejich schopnost zlepšit absorpci světla ve specifických vlnových délkách. U perovskitových solárních článků, které mají určitou optimální vlnovou délku pro absorpci, může plazmonická struktura významně zvýšit množství světla, které se dostane do aktivní vrstvy materiálu, čímž zvyšuje účinnost zařízení.

Využití plazmonických nanostruktur pro optimalizaci výkonu PSCs však není bez výzev. K dosažení požadovaného efektu je nutné pečlivě řídit velikost, tvar a materiál použitých nanopartiklí. Příliš velké nebo příliš malé částice mohou mít neoptimální vliv na plasmonovou rezonanci, což může vést k nižší efektivitě. Dále je třeba vzít v úvahu i vliv rozhraní mezi plazmonickými částicemi a aktivním perovskitovým materiálem, které může ovlivnit způsob, jakým dochází k přenosu energie.

Další výzvou je nutnost kombinace plazmonických nanostruktur s jinými technologiemi a metodami, které zvyšují účinnost solárních článků. Pro zajištění maximálního zisku z plazmonického efektu je třeba zohlednit i elektrochemické vlastnosti perovskitového materiálu a optimalizovat jeho strukturu na úrovni atomů a molekul.

V rámci rozvoje této technologie se také ukazuje důležitost řešení problému stability perovskitových solárních článků, což je v současnosti jeden z hlavních problémů pro komerční využití těchto článků. Použití plazmonických nanostruktur může pomoci zvýšit životnost zařízení tím, že zlepší účinnost absorpce světla a tím sníží riziko degradace materiálů.

V závěru lze konstatovat, že plazmonické nanostruktury představují velmi slibnou technologii pro zlepšení výkonu perovskitových solárních článků. Je však nezbytné pokračovat v intenzivním výzkumu a vývoji metod, které umožní plné využití potenciálu těchto nanostruktur v praxi. Nalezení optimální kombinace plazmonických materiálů, velikosti částic a metod aplikace může přinést zásadní pokrok v oblasti solární energetiky.

Jak zlepšit stabilitu a bezpečnost perovskitových solárních článků pomocí chemisorpcí a přísad

Perovskitové solární články (PSC) představují jedno z nejvíce slibných řešení pro levné a efektivní fotovoltaické technologie. Jejich vysoký výkon a nízké výrobní náklady však stále narážejí na některé problémy, zejména v oblasti stability materiálu a rizika úniku toxických látek, jako je olovo, z poškozených zařízení. K vyřešení tohoto problému se vyvinuly různé strategie, včetně použití chemisorpcí a přísad, které mohou účinně minimalizovat riziko úniku olova a zlepšit celkovou životnost solárních článků.

Jednou z klíčových metod, jak zajistit stabilní provoz perovskitových solárních článků i v náročných podmínkách, je použití skleněné kapsulační vrstvy. Tato vrstva dokáže zabránit úniku olova z poškozených zařízení při nízkých teplotách a vlhkém počasí. Skleněná kapsulace poskytuje ochranu před vnějšími vlivy a umožňuje perovskitovým článkům fungovat stabilně i při ohýbání a natahování zařízení.

Další účinnou metodou je chemisorpce, která pomáhá při prevenci úniku iontů olova (Pb2+) z perovskitových článků po jejich poškození nebo při vystavení vodě. Chemisorpce spočívá v tom, že funkční skupiny materiálů adsorbujících Pb2+ ions se chemicky vážou na volné Pb2+ ionty v poškozeném zařízení. V závislosti na umístění chemisorpčních materiálů v zařízení můžeme hovořit o vnitřní a vnější chemisorpci.

Vnitřní chemisorpce se obvykle používá při výrobě perovskitových tenkých vrstev. Přidáním různých přísad do perovskitového roztoku je možné kontrolovat růst krystalů perovskitu a jejich morfologii, čímž se zlepšuje struktura i výkon materiálu. Některé z těchto přísad mohou rovněž zabránit úniku olova z degradovaných nebo poškozených solárních článků. Příkladem může být použití dormantního akrylamidu v precursorovém roztoku, který vytvoří chelatační síť v perovskitu a tím sníží riziko úniku olova. Takto upravené články vykazují až 94% snížení míry úniku olova.

Podobně se využívají i další přísady, jako je polyakrylová kyselina modifikovaná rubidiem nebo molekula 4-[(trifluoromethyl) sulfanyl]-anilin, které nejen že stabilizují strukturu perovskitu, ale také účinně zachycují ionty olova, čímž zajišťují nižší koncentrace Pb2+ v případě kontaktu s vodou.

Další inovativní přístup zahrnuje použití různých polymerů, jako je poly(butylen adipate-coterephthalate) (PBAT), který se po zahřátí nanáší na povrch perovskitového filmu. Tento polymer vytváří vrstvu, která zachycuje Pb2+ a minimalizuje únik olova, přičemž zároveň zvyšuje stabilitu článků i v případě vystavení dešťové vodě nebo deionizované vodě.

V oblasti vnější chemisorpce se zaměřujeme na úpravu rozhraní mezi jednotlivými vrstvami solárního článku, především mezi perovskitem a elektronovými transportními vrstvami (ETL). Modifikace tohoto rozhraní pomocí specifických materiálů může zlepšit efektivitu přenosu nábojů a zároveň snížit riziko úniku olova. Příkladem je použití různých chelatačních materiálů, které mohou vytvořit stabilní vazby s Pb2+, čímž se snižuje riziko kontaminace a zlepšuje stabilita zařízení.

Celkově lze říci, že chemisorpce a přidání funkčních materiálů do struktury perovskitových článků představují zásadní krok k dosažení vyšší stability a nižšího rizika ekologických problémů způsobených únikem olova. Tento přístup má potenciál nejen pro zlepšení dlouhověkosti perovskitových solárních článků, ale i pro posílení jejich environmentální bezpečnosti.

Důležité je rovněž mít na paměti, že stabilita perovskitových solárních článků je silně závislá na kvalitě materiálů použitých v jejich výrobě, včetně výběru vhodných přísad a jejich koncentrací. I když chemisorpce a přísady mohou významně snížit riziko úniku olova, celková stabilita zařízení závisí také na pečlivém navrhování a kontrole výrobního procesu, který zajišťuje optimální strukturu perovskitového filmu. V praxi je třeba zohlednit nejen chemické interakce, ale také mechanické vlastnosti materiálů, které musí odolávat dlouhodobému vystavení různým klimatickým podmínkám.

Jak zlepšit stabilitu perovskitových solárních článků: Koroze, tepelné a napěťové degradace

Perovskitové solární články (PSC) se v posledních letech staly velmi populární díky svým výjimečným vlastnostem, jako jsou vysoká účinnost konverze a nízké náklady na výrobu. Nicméně, jejich komerční použití je stále omezeno kvůli různým stabilitním problémům, které mohou vést k jejich degradaci a ztrátě účinnosti v průběhu času. Tyto problémy mohou být způsobeny různými faktory, včetně koroze, tepelného a napěťového stresu, což negativně ovlivňuje životnost perovskitových solárních článků.

Koroze elektrod v perovskitových článcích je významným faktorem, který přispívá k degradaci zařízení. U materiálů jako je zlato (Au), stříbro (Ag) a měď (Cu) vznikají různé problémy v důsledku interakce mezi těmito kovy a perovskitovými vrstvami. Zlato, i když se jeví jako materiál odolný vůči oxidaci a halogenaci, může při difúzi do aktivní vrstvy perovskitu vytvářet hluboké pasti, které vedou k degradaci výkonu. Stříbro, které se často používá jako elektroda, se může pod vlivem vlhkosti a tepla korodovat a vytvářet stříbrný jodid (AgI), což vede k chemické reakci, která způsobuje ztrátu účinnosti. I měď, která nezkušeným pozorovatelům nemusí připadat jako problémový materiál, vytváří nevodivý měďnatý oxid, což zvyšuje sériový odpor a snižuje účinnost zařízení.

Pro zajištění dlouhodobé stability perovskitových solárních článků je kladeno důraz na výběr materiálů pro elektrody, které by měly mít vysokou difúzní bariéru a odolnost vůči oxidačním procesům. To je důvod, proč jsou slitinové elektrody, jako je například Ag-Au nebo Ag-Cu, stále více využívány, protože kombinují výhody různých kovů a zajišťují lepší stabilitu. Při vývoji těchto materiálů se rovněž zvažují metody ochrany před korozí, jako je aplikace organických inhibitorů nebo ochranných vrstev, které mohou chránit elektrody před degradací a tím prodloužit životnost zařízení.

Tepelná degradace je dalším významným faktorem ovlivňujícím stabilitu perovskitových článků. Perovskitové materiály jsou velmi citlivé na vysoké teploty a teplotní cykly, což může vést k jejich destrukci a rozkladu na PbI2 a volatilní látky. Tento proces je spojený s defekty na hranicích zrn (GBs) a površích, což ještě více zhoršuje stabilitu materiálu. Dále, při vysokých teplotách mohou difúzní procesy kovů a halogenů vyvolat chemické reakce mezi elektrody a perovskitovými vrstvami, což ještě více urychluje degradaci. Mismatický koeficient tepelné roztažnosti substrátu a perovskitu způsobuje vznik napětí v perovskitových vrstvách, což vede k mikrotrhlinám a oddělení vrstev, což nakonec snižuje účinnost článků.

Napěťová degradace (PID – potential-induced degradation) je problém, který se vyskytuje, když solární články jsou připojeny do série v sítích s vysokým napětím. Tento efekt může způsobit migraci iontů do perovskitu, což vede k degradaci jeho struktury. Vysoké napětí způsobuje pohyb sodíkových iontů z skleněného substrátu do perovskitu, nebo může docházet k migraci iontů přímo v perovskitu. Pro zmírnění tohoto problému je důležité implementovat bariéry, které zabraňují dalšímu pohybu iontů, což může vést k obnovení účinnosti článků.

Kromě těchto typických problémů, jako je koroze, tepelné a napěťové degradační procesy, existují také jiné faktory, které ovlivňují stabilitu perovskitových solárních článků. Například, vlhkostní koroze je dalším významným faktorem. Perovskitové materiály mohou při styku s vlhkostí procházet reverzibilní nebo ireverzibilní degradací. Při reakci s vodou mohou vznikat monohydráty a dihydráty, což vede k oslabení vazby mezi organickými kationty a perovskitovými anionty. V případě, že je perovskit nasycen vodou, může dojít k ireverzibilnímu rozkladu na PbI2, což dále ovlivňuje výkon solárního článku.

Oxygenová koroze, která může nastat při vystavení perovskitu kyslíku a světlu, je dalším častým problémem. Molekuly kyslíku mohou difundovat do perovskitu a reagovat s excitovanými elektrony, což vede k tvorbě superoxidových radikálů (O2-) a následnému rozkladu perovskitu na PbI2, metylamin (CH3NH2) a jod (I2).

Aby bylo možné využít plný potenciál perovskitových solárních článků a dosáhnout jejich komerčního nasazení, je nezbytné vyvinout materiály a technologie, které minimalizují tyto degradace. Při vývoji perovskitových solárních článků musí být brány v úvahu všechny výše uvedené faktory a vyvinuty metody ochrany a stabilizace těchto materiálů. Je třeba se zaměřit na výběr vhodných elektrodových materiálů, optimalizaci ochranných vrstev, zlepšení tepelné a napěťové stability a také vyvinout nové technologie pro ochranu před vlhkostí a oxidací.

Co znamená atmosféra v dětském pokoji a co se může skrývat za tajemnými událostmi?
Jaký osud čeká lásku mezi odpadlíky a společenskými vrstvami?
Jak rozpoznat a hodnotit prekancerózní léze děložního čípku?