Jak eliminovat hysterézi v perovskitových solárních článcích?

Hysteréze v perovskitových solárních článcích je komplexní fenomén, který negativně ovlivňuje jejich výkon a stabilitu. Tento jev, který se projevuje rozdíly v charakteristikách napětí a proudu během zpětného a vpředového měření, je způsobený interakce mezi elektrickými poli, migrací iontů a kapacitními efekty na rozhraních materiálů. V této souvislosti je kladeno důraz na roli iontů, které migrují a hromadí se na rozhraních perovskitu, což může vést k nevyvážené distribuci nábojů a tím i k celkovým změnám v chování solárního článku.

Podstatou hysteréze je migrace iontů, která je ovlivněna aplikovaným napětím. Když je na solární článek aplikováno pozitivní napětí, cationy a aniony se hromadí na různých místech, což vyvolává vznik zpětného elektrického pole blízko kontaktů. Tento jev omezuje efektivní přenos nábojů a zvyšuje rekombinaci na povrchu, čímž dochází k horšímu výkonu při reverzním skenování. Naopak, při vpředovém skenování je chování článku často zlepšeno díky rychlému pohybu nábojů, což umožňuje lepší extrakci nábojů. Tento jev, známý jako normální hysteréze, je typickým znakem chování perovskitových solárních článků.

Dalším důležitým faktorem, který ovlivňuje hysterézi, je závislost na rychlosti skenování. Při pomalé rychlosti skenování se tento efekt stává výraznějším, což naznačuje, že je spojen s pomalými procesy, které probíhají pod vlivem elektrického pole. Ionty začínají migrovat a hromadit se během několika milisekund po aplikaci napětí, ale potřebují mnohem delší dobu k tomu, aby se stabilizovaly. Tento proces, související s akumulací iontů, je pomalý a dynamický, což vede k opakování hysteréze při různých rychlostech skenování.

Kromě toho, během procesu měření, hraje zásadní roli rozhraní mezi různými materiály v perovskitových článcích. Ionty migrují rychleji na hranicích zrn než uvnitř samotných zrn, což je jedním z důvodů, proč je na hranicích zrn pozorována výraznější hysteréze. Tento proces migrace iontů a jejich akumulace na rozhraních může vést k zhoršení výkonu solárního článku, zejména při aplikaci pozitivního napětí, kdy se vytváří reverzní elektrické pole, které omezuje extrakci nábojů a zvyšuje povrchovou rekombinaci.

Jeden z klíčových aspektů vývoje perovskitových solárních článků je optimalizace transportu nábojů a jejich extrakce. Perovskitové materiály mají ambipolární transportní vlastnosti, což znamená, že umožňují transport jak děr, tak elektronů. Nicméně elektronová mobilita v perovskitech je nižší než mobilita děr, což znamená, že elektrony se mohou hromadit na rozhraní mezi perovskitem a katodou, čímž dochází k akumulaci nábojů. Tato akumulace vytváří kapacitní proudy, které jsou příčinou hysterézních jevů.

Pro zlepšení výkonu a eliminaci hysteréze je kladeno důraz na zlepšení kvality filmů perovskitu. Zlepšení krystalinity materiálu vede k zvětšení velikosti zrn, což snižuje počet defektů a zpomaluje migraci iontů. Takto optimalizované struktury mají lepší stabilitu a menší hysterézi. Kromě toho, přítomnost defektů na povrchu materiálu může významně ovlivnit akumulaci nábojů a urychlit proces migrace iontů, což vede k prohloubení hysteréze. Oprava těchto defektů, například pomocí pasivace, je jednou z cest, jak zlepšit celkovou výkonnost solárního článku.

Hysteréze v perovskitových solárních článcích je tedy kombinovaným efektem několika procesů – iontové migrace, zachycování nosičů náboje a nevyváženého transportu nábojů. Všechny tyto procesy jsou vzájemně propojené, a proto je klíčové optimalizovat každý z těchto faktorů, aby došlo k odstranění nebo minimalizaci hysteréze. Úspěšná eliminace tohoto jevu nejen zlepší výkon solárních článků, ale i jejich dlouhodobou stabilitu.

Jak hybridní organické ligandy zlepšují vlastnosti 2D perovskitů pro solární články?

V posledních letech se v oblasti solárních článků na bázi perovskitů intenzivně zkoumá využití různých hybridních organických ligandů k zlepšení jejich výkonu a stability. Tato nová generace perovskitů, známá jako 2D perovskity, nabízí vynikající optické a elektrické vlastnosti, ale stále se potýká s několika výzvami, především co se týče stabilizace a účinnosti. V tomto kontextu přináší použití směsných organických ligandů nové možnosti pro optimalizaci těchto materiálů, zejména pokud jde o zlepšení transportu nosičů náboje a snížení energetických ztrát.

V porovnání s běžnými 2D RP perovskity (BA)2MA2Pb3I10 vykazuje perovskit B-ACI nejen nižší hodnotu zakázaného pásu, ale také vyšší průměrný povrchový potenciál, což je výhodné pro disociaci fotogenerovaných nosičů. Tato struktura vykazuje lepší transportní vlastnosti, což je podpořeno studiemi pomocí femtosekundového termálního analyzátoru, které ukázaly, že rozložení kvantových vln v tenkých vrstvách B-ACI je úzké a s plochými energetickými hladinami, což vede k nižším energetickým ztrátám.

Další výzkumy se zaměřují na smíšené ligandové systémy, kde se používají dva typy organických ligandů v prostoru mezi vrstvami perovskitu. Tyto hybridní systémy mohou podpořit růst kvalitních filmů s velkými krystaly a orientovanými krystaly, což zlepšuje transport nosičů náboje a stabilitu perovskitu. Příkladem takového přístupu je výměna části BA ligandu za PEA (fenylethylamin), což vede k zlepšení vlastností filmů a dosažení vyšší účinnosti fotovoltaických článků až na úroveň 14.09 %. Další výzkumy ukázaly, že přidání polyfluorovaného ligandu, jako je 2,2,2-trifluoroethanamin (3FEA), může rovněž pozitivně ovlivnit oddělení a transport fotogenerovaných nosičů náboje. Tento efekt je způsoben vysokou elektronegativitou fluoru, který podporuje separaci nosičů náboje, což zlepšuje účinnost přenosu energie v těchto materiálech.

Kromě těchto výsledků přinesly studie s PBA (4-fenylbutan-1-amin), které mají delší alkylové řetězce než PEA, další zlepšení. Směs PBA a BA vykazuje lepší orientaci krystalů, menší hustotu defektů a nižší rekombinaci náboje, což vede k dosažení účinnosti až 16 % u solárního článku. Tento přístup ukazuje, že vhodně zvolená směs organických ligandů může výrazně ovlivnit vlastnosti perovskitu, což má přímý dopad na výkon solárního článku.

Významným krokem vpřed v této oblasti je i využívání kationtů jako GA, které mají střední velikost a mohou zlepšit krystalinitu a orientaci vrstev perovskitu. Tyto hybridní kationtové systémy s GA ligandy mohou efektivně snížit mřížkovou deformaci, zabránit fázové segregaci a zlepšit stabilitu 2D perovskitů, což je klíčové pro dosažení dlouhodobé stability solárních článků. Směs různých typů organických ligandů tedy nejen zlepšuje transportní vlastnosti, ale také přispívá k vyšší stabilitě a celkové efektivitě perovskitových solárních článků.

Hybridní perovskity s organickými ligandy, které mají různou velikost a strukturu, představují jeden z nejprogresivnějších směrů výzkumu v oblasti 2D perovskitů. Použití více než jednoho typu organického ligandu v mezivrstvách těchto materiálů může výrazně zlepšit jejich vlastnosti a poskytnout nové možnosti pro zlepšení účinnosti a stability fotovoltaických článků. Tento přístup nabízí širší spektrum aplikací pro solární články s perovskity, které se mohou stát cenově dostupnější a ekologičtější alternativou pro výrobu energie v budoucnu.