Jaký je vliv strojového učení na vývoj perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články, které v posledních letech získaly širokou pozornost díky své vysoké účinnosti a relativně nízkým nákladům na výrobu, čelí řadě výzev spojených s jejich stabilitou a škálovatelností. Mnoho výzkumů v této oblasti se zaměřuje na optimalizaci materiálů, výroby a konstrukce článků. Ve všech těchto aspektech se stále více prosazuje strojové učení, což umožňuje zrychlit objevování nových materiálů a optimalizaci výrobních procesů.

V posledních letech se ukázalo, že strojové učení může výrazně přispět k hledání stabilních a netoxických hybridních organicko-anorganických perovskitů pro fotovoltaické systémy. Modely strojového učení, které kombinují experimentální data a teoretické výpočty, jako jsou metody první principy, umožňují předpovědět vlastnosti nových materiálů ještě před jejich syntézou. Tímto způsobem mohou výzkumníci vybrat slibné kandidáty s vysokou pravděpodobností úspěchu, což značně zkracuje čas potřebný k jejich vývoji a testování.

V oblasti výroby perovskitových solárních článků se strojové učení používá k optimalizaci výrobních procesů, jako je například metoda vakuového odpařování nebo metod vkládání vrstev. Například modely strojového učení mohou být využity k lepšímu pochopení, jak různé podmínky při výrobě ovlivňují vlastnosti konečného produktu. Tímto způsobem je možné upravit výrobní parametry, jako je teplota nebo tlak, tak, aby byly dosaženy optimální vlastnosti tenkých vrstev perovskitů, což vede k vyšší účinnosti solárních článků.

Další výzvou je stabilita perovskitových solárních článků. Perovskitové materiály jsou náchylné k degradaci vlivem vlhkosti a UV záření, což výrazně ovlivňuje jejich dlouhodobý výkon. Strojové učení může pomoci při návrhu nových stabilnějších materiálů a vylepšení výrobních procesů, které zlepší odolnost těchto materiálů proti vnějším vlivům. Modely strojového učení, které analyzují vztah mezi strukturou materiálů a jejich stabilitou, mohou identifikovat sloučeniny nebo povrchové úpravy, které zvýší životnost článků.

Vzhledem k tomu, že se strojové učení stále více používá ve výzkumu perovskitových solárních článků, je kladeno stále větší důraz na vytváření a sdílení kvalitních datových souborů. Sdílením experimentálních dat mezi výzkumníky po celém světě mohou být modely strojového učení efektivněji trénovány, což zlepší prediktivní schopnosti těchto nástrojů a urychlí vývoj nových materiálů. Významným směrem v tomto výzkumu je i vývoj algoritmů, které umožní efektivní optimalizaci výroby perovskitových solárních článků v reálném čase, což by mohlo výrazně snížit náklady na výrobu a zlepšit přístup k těmto technologiím.

Vedle materiálových a výrobních vylepšení je také důležité si uvědomit, že přechod k širší komerční výrobě perovskitových solárních článků přinese nové výzvy. I když strojové učení poskytuje obrovský potenciál pro zrychlení vývoje, stále zůstává otázkou, jak adaptovat tyto nové technologie do průmyslové praxe. Technologie musí projít důkladným testováním a certifikací, aby byla zajištěna její spolehlivost a dlouhá životnost. Také je nutné vyvinout strategie pro masovou výrobu, které budou ekonomicky výhodné a ekologicky šetrné, což je klíčové pro jejich široké nasazení v energetických systémech.

Jak iontová migrace ovlivňuje vlastnosti perovskitových solárních článků?

Iontová migrace v perovskitových materiálech se stala jedním z klíčových témat při výzkumu solárních článků na bázi perovskitů, zejména kvůli jejímu vlivu na stabilitu a výkon těchto materiálů. Perovskitové struktury jsou tvořeny komplexními mřížkami, v nichž se nachází kationty, anionty a kovové atomy, jež vykazují iontové vlastnosti. Vzhledem k tomu, že iontová migrace má přímý vliv na funkčnost perovskitových solárních článků, je nezbytné pochopit mechanismus této migrace a její kanály, které určují chování těchto materiálů při různých podmínkách.

Mechanismus iontové migrace v perovskitech

Iontová migrace v hybridních perovskitech je způsobena především mechanismem skákání iontů, který je řízen přítomností defektů v krystalové mřížce. Tyto defekty, jako jsou Schottkyho defekty a Frenkelovy defekty, jsou kritické pro iontovou mobilitu, protože ionty musí procházet prázdnými místy (vacancemi) nebo mezi mezery v mřížce, aby se mohly pohybovat. Ionty migrace ve struktuře perovskitu vykazují relativně nízkou aktivační energii (Ea) a střední hodnoty koeficientů difúze. To znamená, že ionty mohou snadno překonávat energetické bariéry a migrovat z původní pozice do sousedních prázdných míst, což vede k jejich pohybu napříč materiálem.

Největší vliv na rychlost migrace mají přítomné defekty, které jsou součástí procesu skákání iontů. Důležité je i to, že iontová migrace v perovskitu není lineární; například migrace jodidových iontů (I−) probíhá po zakřivených drahách mezi atomy jodu, zatímco migrace iontů MA+ (methylamonium) je výrazně pomalejší a probíhá hlavně v mezery mezi jodovými atomy a atomy olova (Pb2+). Je rovněž prokázáno, že ionty s menší velikostí, jako MA+, migrují rychleji než větší ionty, například Pb2+, které jsou kvůli své velikosti mobilnější pouze v omezeném rozsahu.

Kanály pro iontovou migraci

Dalším důležitým aspektem je to, že defekty, jako jsou mezní hranice zrn a povrchové defekty, také slouží jako kanály pro iontovou migraci. Tato migrace je podporována při vysoké teplotě, při osvícení nebo v přítomnosti elektrického pole, což může negativně ovlivnit výkon solárního článku. V oblasti mezních hran zrn může docházet k měření lokálního tmavého proudu, což ukazuje na význam těchto oblastí jako klíčových pro pohyb iontů.

Důsledky pro stabilitu perovskitových solárních článků

Aby bylo možné optimalizovat výkon perovskitových solárních článků a zvýšit jejich stabilitu, je nutné nejen porozumět mechanismům iontové migrace, ale také vyvinout strategie pro eliminaci nebo minimalizaci defektů, které tuto migraci podporují. Existuje několik přístupů, jak snížit hustotu defektů na povrchu perovskitových materiálů, což vede ke zlepšení parametru fotokapacity a fotovoltového napětí. Passivace povrchových defektů je jedním z nejúčinnějších způsobů, jak tohoto cíle dosáhnout.

Tento výzkum ukazuje, že pro optimální návrh perovskitových solárních článků je třeba vyvinout technologie, které budou schopny řídit iontovou migraci, aby se minimalizovaly ztráty v účinnosti a zajištění dlouhodobé stability těchto zařízení.

Jak regulace fázových přechodů ovlivňuje výkon perovskitových solárních článků?

Ideální krystalová struktura, která může být ovlivněna jak vnitřními faktory, jako jsou bodové defekty nebo orientační nehomogenity, tak vnějšími vlivy, jako jsou světlo, teplo a tlak, má zásadní vliv na optoelektronické vlastnosti a inherentní stabilitu polykrystalických materiálů. V mnohovrstevnatých a heterojunkčních strukturách perovskitových solárních článků dochází k napětí během jejich výroby a provozu, a to díky nesouladu mezi koeficienty tepelné roztažnosti a mřížkovými konstantami perovskitů a substrátů, stejně jako nejednotným provozním podmínkám. Tvorba a relaxace napětí v perovskitových krystalech se týká prodlužování nebo zúžení chemických vazeb a zvětšování nebo zmenšování objemu mřížky s přidruženým zvýšením počtu defektů, což ovlivňuje aktivační energii pro fázový přechod.

Velikost a způsob reziduálního napětí v perovskitových vrstvách závisí výrazně na teplotě žíhání. Perovskitové filmy bez napětí lze vytvořit při nízkých teplotách. Avšak účinnost zařízení založených na perovskitech zpracovaných při nízkých teplotách byla relativně nízká, protože jejich krystalová kvalita byla horší ve srovnání s těmi, které byly depozovány při vyšších teplotách. Proto byly vyvinuty některé techniky bleskového žíhání, které usnadňují transformaci perovskitu se potlačeným reziduálním napětím a zároveň zachovávají vynikající krystalovou kvalitu. Například bleskový termální šok s okamžitým zahřátím na 453 K následovaný extrémně rychlým ochlazením byl aplikován na film předzákladní vrstvy, čímž se urychlil proces nukleace a růstu krystalů. Díky tomuto procesu bleskového žíhání vykazoval perovskit více kompresního napětí, což vedlo k účinnosti PCE 22,99 % a době života T80 přesahující 4000 hodin.

Dalším přístupem je termální inženýrství. Vědecký výzkum ukázal, že aplikace vhodného kompresního napětí na perovskitové filmy může zlepšit výkon zařízení. Regulačními metodami napětí byly vyvinuty perovskitové fotovoltaické články s účinností přesahující 25 % a dlouhodobou stabilitou v různých provozních režimech. Například studie Eperona ukázaly, že podrobení vrstvy perovskitu dlouhodobému teplotnímu žíhání může způsobit významné poškození, přičemž dojde k redukci povrchového pokrytí. Zvýšení tloušťky perovskitových filmů by mělo výrazný vliv na pokrytí filmu a účinnost zařízení. Proto je vývoj nové techniky žíhání za nízkých teplot, která by umožnila vytvoření tlustých a uniformních vrstev perovskitu, slibnou cestou k dosažení komerčně dostupných perovskitových solárních článků.

Rovněž se ukázalo, že zvyšování teploty žíhání vedlo k zvětšení velikosti zrn a změně fázového složení filmů, což má vliv na jejich výkon. Studie ukázaly, že optimální teplota žíhání může výrazně zlepšit morfologii a krystalinitu perovskitových filmů, čímž se zvyšuje jejich účinnost. Podle výzkumů, které zahrnují analýzu SEM a XRD při různých teplotách, se zlepšení výkonu PSC (perovskitových solárních článků) dosahuje při teplotách kolem 100 °C.