V současnosti představuje využití přeměny energie z fotonů v solárních článcích klíčovou oblast výzkumu, zejména pokud jde o zlepšení efektivity solárních článků, jako jsou perovskitové solární články (PSC). Dva významné procesy, které mohou zlepšit využití slunečního spektra a výkon těchto článků, jsou downshifting (snižování energie fotonů) a downconversion (přeměna energie fotonů).

Downshifting je proces, při kterém vysoce energetický foton emituje jiný foton s nižší energií, což vede k zúžení spektra absorbovaného světla. Tento jev může být považován za podkategorii downconversionu, i když mezi těmito dvěma procesy existují rozdíly v kvantové účinnosti. Downconversion naopak zahrnuje přeměnu jednoho vysoce energetického fotonu na dva fotony s nižší energií, což je efekt, který minimalizuje tepelné ztráty a vykazuje kvantovou účinnost vyšší než 100%, čímž se stává perspektivnější pro zlepšení účinnosti solárních článků.

Ve srovnání s běžnými fotovoltaickými technologiemi, jako jsou křemíkové solární články, CdTe nebo CIGS články, byly downconversion materiály již úspěšně implementovány za účelem zlepšení jejich výkonu. Podle výzkumů, například Trupkeho et al., by křemíkový solární článek s ideálním DC vrstvou mohl dosáhnout optimální účinnosti přeměny energie (PCE) 38,6%, což je podstatné zlepšení oproti limitní účinnosti 30,9% pro stejný solární článek bez přítomnosti DC vrstvy.

Pro perovskitové solární články (PSC) je začlenění downconversion materiálů velmi slibné, zejména v kontextu zlepšení stability zařízení a rozšíření spektrální odezvy na UV světlo. Downconversion materiály mohou účinně přeměnit UV světlo, které by jinak mohlo způsobit degradaci materiálů, na využitelný elektrický výkon. Na rozdíl od běžného UV filtru, který pouze blokuje UV světlo, DC materiál toto světlo neblokuje, ale "přebíjí" ho na nižší energetické fotony, které se následně použijí k generování fotoprůchodu.

Optimalizace DC vrstev v PSC zařízeních je důležitá pro zajištění vysoké emisní účinnosti těchto materiálů. Při návrhu DC materiálů je zásadní, aby jejich absorpční pásmo nekolidovalo s absorpcí aktivní vrstvy perovskitu, což by vedlo ke ztrátám výkonu. Například výběr materiálů s absorpčním vrcholem v UV spektru slunečního záření může výrazně zlepšit celkový výkon solárního článku. Tato integrace může pomoci eliminovat problém spektrálního nesouladu, který je v tradičních zařízeních častým zdrojem ztrát.

Je rovněž důležité, aby materiály pro downconversion měly schopnost efektivně absorbovat UV světlo a přeměňovat ho na nižší energetické fotony. Tím se nejen rozšiřuje spektrální rozsah absorbovaného světla, ale zároveň se snižuje riziko degradace, které je způsobeno vysokou energií UV světla. I když by UV filtr mohl mít podobný účinek, DC vrstva je schopna tento světelný tok "recyklovat" a využít pro generování elektrického proudu, čímž se zlepšuje celková účinnost zařízení.

Studie, jako ta, kterou provedl Miguel Alexandre, se zaměřují na teoretické výpočty zisků fotoprůchodu vyplývajících z účinku downconversionu v PSC a zároveň na snížení dopadu UV-induced stability issues. Vysoká stabilita a účinnost při použití těchto materiálů jsou klíčové pro budoucí aplikace ve fotovoltaických zařízeních.

Integrace těchto materiálů do struktury PSC zařízení představuje cestu k významnému zvýšení jejich účinnosti, zejména ve vztahu k absorpci širšího spektra slunečního záření a lepší ochraně proti degradaci způsobené UV zářením. S tím, jak bude probíhat vývoj nových materiálů a optimalizace jejich vlastností, se očekává, že výkonnost perovskitových solárních článků vzroste, čímž se přiblíží k dosažení vyšší efektivity, než jaké dosahují současné komerční fotovoltaické technologie.

Jak efektivně uzavírat flexibilní perovskitové solární články: Výzvy a řešení

V oblasti uzavírání tenkovrstvých materiálů je obtížné dosáhnout vynikajících účinků utěsnění pomocí jedno­vrstvého pokrytí. Voděodolnost jedné organické vrstvy je nedostatečná, zatímco anorganické vrstvy čelí kompromisům mezi tím, aby byly dostatečně silné pro ochranu proti vodě, ale ne příliš silné, aby neohrozily počáteční výkonnost zařízení v důsledku delší doby depozice a vyšší teploty, kterou vyžaduje příprava. Kromě toho jsou tyto vrstvy náchylnější k praskání při cyklických teplotních změnách. Organicko-anorganické vícevrstvé struktury do určité míry řeší tyto problémy, ale zvyšují náklady na procesy a materiály, což omezuje komerční použití této metody uzavírání v perovskitových solárních článcích.

Perovskitové solární články (PSC) mají díky nízké teplotě zpracování, robustní mechanické odolnosti a možnosti použití roll-to-roll (R2R) procesu výrazný potenciál pro použití ve flexibilní konfiguraci na plastových substrátech. Flexibilní perovskitové solární články (F-PSC) mají slibné využití v aplikacích, jako jsou přenosné elektrické nabíječky, elektronické textilie, velkoformátové průmyslové střechy a napájení bezpilotních letadel (UAV). Přesto je účinnost přeměny energie (PCE) flexibilních zařízení výrazně nižší než u jejich pevných protějšků. Dále flexibilní zařízení dosud neprokázala lepší dlouhodobou stabilitu než ta pevná. Uzavírání je účinným opatřením pro prodloužení životnosti flexibilních zařízení. Struktury a metody uzavírání, které byly dříve zmíněny, jsou stejně aplikovatelné na flexibilní zařízení. Nicméně, vzhledem k rozdílům ve faktorech ovlivňujících stabilitu a mechanismy degradace flexibilních zařízení, je nutné poskytnout samostatné shrnutí.

Strukturální rozdíly mezi flexibilními a pevnými zařízeními pramení především z volby substrátu. Sklo může splňovat požadavky na vysokou průhlednost, mechanickou stabilitu, izolaci od vody a kyslíku a odolnost proti vnějším nárazům, avšak je zjevně nevhodné pro ohebná flexibilní zařízení. Proto se v flexibilních zařízeních běžně používají flexibilní substráty vyrobené z organických komponent, jako je polyethylentereftalát (PET), polyimid (PI) a polyethylen naftalát (PEN). Proces uzavírání pro flexibilní zařízení by měl zohlednit několik faktorů: (1) postupy uzavírání, které zahrnují vysoké teploty, by se měly vyhnout poškození organického substrátu vlivem tepelného zatížení. (2) Materiály pro uzavírání by měly mít vysokou tažnost, aby jejich výkon nebyl ovlivněn nadměrným ohýbáním. (3) Horní kryt zařízení by měl také využívat flexibilní materiály, aby byl kompatibilní s výrobními procesy roll-to-roll.

Pokud jde o hodnoty vodní páry přenositosti (WVTR) a vysoké hodnoty přenosu, jsou dvě klíčové parametry pro flexibilní fólie, které nahrazují pevné skleněné kryty. Metoda tenkovrstvého uzavírání (TFE) je pro uzavírání flexibilních článků vhodnější. Weerasinghe a jeho kolegové ukázali, že uzavírání perovskitových solárních článků s využitím vysoce kvalitních flexibilních bariérových materiálů a jednoduchých struktur uzavírání může výrazně zlepšit dlouhodobou stabilitu při skladování v ambientních podmínkách. Dále testy s vápníkovou fólií ukázaly, že pronikání vlhkosti a kyslíku skrz lepicí vrstvy a kolem elektrických kontaktů je významným faktorem, který omezuje životnost zařízení. Tento poznatek podtrhuje důležitost vyvíjení inovativních struktur uzavírání.

Pokud jde o optimalizaci flexibilního substrátu, vzhledem k tomu, že většina plastových materiálů, jako jsou PEN a PET, vykazují vysokou vodní propustnost, je tedy nezbytné na substrátu použít alespoň jednu bariérovou vrstvu, která zlepší jeho odolnost vůči vodě. Castro-Hermosa a jeho kolegové se zaměřili na vliv struktury, procesu aplikace a přenosu vodní páry (WVTR) na životnost transparentních flexibilních ultra-vysokopropustných bariérových fólií (UHPBF) a provedli srovnání s PET a skleněnými bariérami. Při ochraně sklem a UHPBF perovskitové články dokázaly udržet 90% a 76,6% původní účinnosti přeměny energie (PCE) během více než 840 hodin (při 23°C, 35% vlhkosti, ve tmě). I když uzavírání se skleněným krytem zůstává nejúčinnější bariérou pro solární články, transparentní UHPBF nabízí nový směr v oblasti flexibilních solárních článků.

Dalším přístupem byla aplikace optického lepidla Nolan (NOA) na PET fólii, která byla následně použita jako kryt v perovskitových solárních článcích. Na povrchu NOA vrstvy byly vytvořeny mikro-patenty pomocí nanoskalové technologie tisku. Tyto patenty nejen minimalizovaly odraz světla, ale také zlepšily povrchovou hydrofobitu. Reflexe byla snížena o 44,6 % ve srovnání s obyčejnou NOA vrstvou, a úhel vodního kontaktu se zvýšil z 65,24° na 96,45°. Tento způsob uzavírání dosáhl WVTR 1,1 × 10−3 g/m−2/den při testovacích podmínkách 65°C a 85% vlhkosti. Kryt NOA/PET prokázal výjimečnou odolnost vůči vlhkosti, přičemž perovskitové články po 540 hodinách při 100% vlhkosti a 25°C udržely svou počáteční PCE.

Ve srovnání s pevnými zařízeními je u flexibilních zařízení nutné brát v úvahu vliv ohýbání na výkon a stabilitu. Du a jeho kolegové provedli simulace, aby zhodnotili dopad různých ohybových úhlů a směrů na fotovoltaický výkon. Absorpce u F-PSC doznala drobného zlepšení při ohybu o 15°, ale začala klesat při větších ohybech. Tento trend je především důsledkem protichůdných efektů ztráty reflexe a zvýšení tloušťky aktivní vrstvy v ohnutém stavu. Ohýbání směrem nahoru vedlo k výrazně menší ztrátě reflexe ve srovnání s ohýbáním směrem dolů kvůli jevu konvergence světla.

Jak interpretovat histopatologické změny kůže a jejich význam v dermatologii?
Jaký vliv mají vdW síly na struktury heterostruktur 2D polovodičů a jejich elektronické vlastnosti?
Jak přežít a vyhrát: Zkouška odvahy a vůle v nebezpečném světě
Jak vnímáme čas, smrt a paměť: Cesty k pochopení neznámého