Jak nanostruktury ovlivňují výkon perovskitových solárních článků?

V oblasti fotovoltaiky, a zejména u perovskitových solárních článků (PSC), je kladen stále větší důraz na optimalizaci různých vrstev a struktur pro zajištění co nejlepší účinnosti. Mezi inovativní přístupy patří použití nanostruktur, které mohou výrazně zlepšit schopnost solárního článku zachytávat a efektivně využívat světlo. Zatímco tradiční PSC články používají kompozitní vrstvy, které kombinují hustou TiO2 vrstvu s nanostrukturami, pokročilé studie naznačují, že použití třírozměrných nanostruktur TiO2 může mít zásadní vliv na zlepšení výkonu těchto zařízení.

Typické PSC články obsahují vrstvy, jako je kompaktní TiO2 a TiO2 nanokrystaly, které slouží jako transportní vrstva pro elektrony (ETL). Kompaktní vrstva účinně blokuje pohyb děr, zatímco nanoprostorová struktura, díky své rozsáhlé kontaktní ploše, usnadňuje efektivní extrakci nosičů náboje. Nicméně malé rozměry nanokrystalů znamenají, že jejich schopnost rozptýlit světlo je omezená, což způsobuje, že světlo prochází touto vrstvou, aniž by změnilo svůj směr.

Dalším zajímavým přístupem je využití nanostruktury inspirované okem můry, která je schopna výrazně snížit odrazivost v PSC. Kang a jeho kolegové aplikovali nanopaternované m-TiO2 vrstvy s pravidelným vzorem 2D hexagonální symetrie pro zvýšení efektivity sběru světla. Tento přístup vedl k zlepšení absorpce světla, přičemž největší zisk byl pozorován u PSC článků s tenkou perovskitovou vrstvou o tloušťce menší než 300 nm.

Další výzkumy ukázaly, že texturované perovskitové filmy mohou významně zlepšit efekt „záchytu světla“, což vede k prodloužení optické dráhy uvnitř perovskitové vrstvy solárního článku. Takto vylepšené struktury mohou výrazně zvýšit celkovou účinnost článků. Příkladnou metodou pro zlepšení těchto vlastností byla konstrukce škrabkové struktury perovskitových filmů, která napodobuje akustické vlny, čímž zvyšuje schopnost zachytit světlo. Výsledkem tohoto přístupu byla účinnost na úrovni 19,8%, což znamená zlepšení o 29,4% oproti původnímu článku.

Významným zjištěním bylo také vytvoření „kráterovité“ architektury substrátů pro ultratenké PSC články, které slouží k širšímu pásmu absorpce světla a lepší separaci fotonů. Takové architektury vykazovaly silnější absorpci než tradiční ploché substráty, a to zejména při různých úhlech dopadu světla. Studie ukázaly, že takové architektury mohou zlepšit účinnost solárních článků o 47,6% i při nedostatečném slunečním svitu nebo za zataženého počasí.

Další možností zlepšení optické absorpce je nanostrukturování rozhraní mezi HTL (hole transport layer) a metalickými elektrody. Tyto metody, inspirované technologií barevných a polymerových kompozitů v barvivových solárních článcích, ukázaly slibné výsledky, zejména při využívání plazmonických efektů a řízených módů v optických kavitačních strukturách.

Vzhledem k těmto inovativním přístupům je jasné, že nanostruktury mohou významně ovlivnit výkon perovskitových solárních článků. Tyto techniky nejen zlepšují absorpci světla, ale také snižují ztráty vznikající při rekombinaci nosičů náboje. Výsledkem je zvýšení účinnosti a stability těchto solárních článků, což je zásadní pro jejich komerční aplikace v budoucnosti.

Jak efektivně využívat infračervené světlo pro zlepšení účinnosti perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články, známé svou vysokou účinností a nízkými náklady, stále čelí několika výzvám, které je třeba překonat, aby jejich výkon byl co nejefektivnější. Jednou z hlavních oblastí výzkumu je zlepšení jejich schopnosti absorbovat široké spektrum světla, zejména infračervené záření, které je pro běžné solární články těžko využitelné. Nedávný vývoj ukazuje, jaké možnosti skýtá využívání upkonverzních materiálů, které umožňují efektivní přeměnu infračerveného záření na světlo, jež mohou perovskitové články lépe absorbovat.

Upkonverze, tedy proces, při němž se nízkovlnné infračervené světlo (NIR) přeměňuje na vyšší energetické fotony, nabízí slibný způsob, jak zvýšit účinnost perovskitových solárních článků. Tento proces je umožněn použitím nanomateriálů, zejména nanokrystalů, které jsou schopné absorbovat NIR a následně vydávat viditelné světlo. V praxi to znamená, že solární články mohou využívat světlo, které je normálně mimo jejich dosah.

Například, upkonverzní materiály dopované ionty vzácných zemin, jako jsou Yb3+ a Er3+, se osvědčily jako velmi efektivní pro tento účel. V některých studiích byla prokázána zlepšená účinnost při použití materiálů jako β-NaYF4:Yb3+,Er3+ v kombinaci s titaničitanovými a křemíkovými vrstvami. Tento typ upkonverze nejen zlepšuje schopnost solárních článků absorbovat více světla, ale také zvyšuje stabilitu zařízení, což je klíčové pro dlouhodobý výkon.

Dalším zajímavým přístupem je použití pokročilých heterostruktur, například kombinace upkonverzních nanokrystalů s vrstvami TiO2 nebo SiO2. Tyto vrstvy fungují nejen jako upkonverzní materiály, ale také jako optické rozptylovače, což vede k lepší distribuci světla v solárním článku. Takové struktury mohou výrazně zlepšit efektivitu přeměny energie z infračerveného světla na elektrickou energii, což by mohlo mít významný dopad na výkonnost perovskitových solárních článků, zejména v oblastech s nízkou intenzitou slunečního záření.

Pro dosažení maximálního efektu je kladeno velké důraz na správnou integraci těchto materiálů do struktury solárního článku, kde je nezbytné optimálně sladit vlastnosti jednotlivých vrstev. Důležité je rovněž monitorovat stabilitu upkonverzních materiálů, neboť jejich dlouhá životnost v podmínkách slunečního záření je nezbytná pro zajištění trvalé účinnosti solárního článku.

Pokud se podaří efektivně začlenit upkonverzi do perovskitových solárních článků, mohlo by to vést k významnému zvýšení jejich celkové účinnosti a stabilitě, což by mělo obrovský dopad na komerční využití těchto solárních článků v různých aplikacích, od domácností až po průmyslové instalace.

Využití infračerveného záření pro výrobu elektrické energie by tedy mohlo být klíčem k dalšímu posunu v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Klíčovou výzvou zůstává optimalizace těchto technologií pro komerční výrobu a jejich dlouhodobé používání v reálných podmínkách.

Jaký vliv má metoda enkapsulace na stabilitu perovskitových solárních článků?

Enkapsulace perovskitových solárních článků je klíčovým procesem pro jejich dlouhodobou stabilitu a komercializaci. Cílem enkapsulace je chránit aktivní vrstvu článku před vnějšími vlivy, jako jsou vlhkost, kyslík a mechanické poškození, což jsou faktory, které mohou významně ovlivnit výkon solárních článků. Při správně provedené enkapsulaci je možné zajistit dlouhou životnost perovskitových článků, které by jinak byly náchylné k degradaci pod vlivem těchto vlivů.

V současnosti se v oblasti enkapsulace používají různé materiály, které mají specifické vlastnosti, jež je činí vhodnými pro ochranu perovskitových solárních článků. Mezi těmito materiály dominují UV-curační epoxidové pryskyřice, organický silikon a další termoplastické materiály. Materiály musí vykazovat vysokou odolnost proti vodní páře (WVTR), kyslíkovému průniku (OTR) a mechanickým vlivům, aby efektivně chránily článek před vlivy prostředí. Také je důležité, aby byla zajištěna adekvátní transparentnost materiálu v oblasti viditelného spektra, protože to ovlivňuje celkovou účinnost solárního článku.

Současné technologie enkapsulace jsou převážně založeny na použití lepidel, která mohou být buď UV-curable, nebo termoplastická. UV-curable lepidla, která se využívají pro enkapsulaci, obsahují monomery nebo oligomery s nenasycenými dvojitými vazbami, které se polymerizují působením UV světla. Tento proces umožňuje rychlé vytvrzení lepidla, což usnadňuje a zrychluje výrobu perovskitových solárních článků. V některých případech je použití UV-lepidel omezeno na okrajové části článku, aby nedošlo k poškození aktivní vrstvy během polymerizačního procesu. U termoplastických materiálů, jako je epoxidová pryskyřice, probíhá vytvrzování při vyšších teplotách, což může být výhodné, pokud je potřeba dosáhnout silnějších mechanických vlastností materiálu.

Kromě samotných materiálů a jejich aplikace je nezbytné brát v úvahu i environmentální faktory, kterým budou solární články vystaveny. Perovskitové solární články budou fungovat v reálných podmínkách, které zahrnují déšť, kroupy, prachové bouře, sluneční záření a extrémní teplotní výkyvy. To klade vysoké nároky na trvanlivost materiálů enkapsulace, které musí zůstat stabilní a funkční po celou dobu životnosti článků. Vývoj nových materiálů, které by byly odolné vůči těmto extrémním podmínkám, je jedním z hlavních směrů výzkumu v této oblasti.

Důležitou součástí zajištění dlouhodobé stability perovskitových solárních článků je také optimalizace výrobních procesů, které zahrnují nejen výběr správného materiálu, ale také vhodné podmínky pro jejich aplikaci. Například při použití UV-curačních materiálů je nezbytné zajistit správné osvětlení a teplotu během procesu vytvrzování, aby bylo dosaženo požadované pevnosti a odolnosti materiálu. Kromě toho je důležité zajistit, aby při výrobě nedošlo k nechtěnému kontaktu materiálů s aktivními vrstvami článku, což by mohlo vést k jejich degradaci.

Pokud jde o výběr konkrétních materiálů pro enkapsulaci, je nutné se zaměřit na několik klíčových parametrů. Mezi ně patří přenos vodní páry (WVTR), který by měl být co nejnižší, aby se zabránilo pronikání vlhkosti do aktivní vrstvy článku. Dále je důležitý přenos kyslíku (OTR), protože kyslík může negativně ovlivnit stabilitu perovskitových vrstev. Dalším faktorem je mechanická odolnost materiálu, která je nezbytná pro ochranu před fyzickým poškozením, například při nárazech nebo při dlouhodobém vystavení mechanickému namáhání.

Jak dosáhnout vyšší účinnosti perovskitových solárních modulů a tandemových zařízení?

Perovskitové solární články (PSC) představují jedinečnou příležitost pro zlepšení účinnosti fotovoltaických technologií. Současný výzkum v této oblasti se soustředí na několik klíčových aspektů: modulární konstrukce, tandemové články, flexibilita a odolnost. K dosažení co nejvyšší účinnosti je nezbytné pochopit, jak jednotlivé techniky a materiály ovlivňují výkon zařízení.

V tabulce 5.1 je uvedeno několik příkladů, jak se účinnost perovskitových modulů vyvíjela v průběhu let. Výrazné zlepšení účinnosti bylo zaznamenáno zejména v roce 2022, kdy NPVM dosáhl hodnoty účinnosti 22,4 % na sub-modulu o velikosti 26,02 cm². Tento výsledek ukazuje na rostoucí trend efektivity perovskitových technologií a jejich reálný potenciál v porovnání s tradičními křemíkovými články.

Flexibilní perovskitové solární články představují další důležitý směr výzkumu. Tyto články musí být nejen energeticky účinné, ale také lehké, ohybné a odolné vůči mechanickému namáhání. Největší výzvou je zabránit praskání filmů, což by mohlo negativně ovlivnit výkon článků při ohýbání nebo natahování. Vývoj materiálů, jako jsou polymerní substráty nebo ultra-tenké sklo, může výrazně přispět k zajištění dostatečné odolnosti těchto flexibilních zařízení. Studie ukázaly, že například monomery, které umožňují opravu mechanických trhlin v perovskitových vrstvách, mohou zvýšit účinnost flexibilních solárních článků až na 23,84 % pro zařízení o rozměrech 0,062 cm². Také ekologické aspekty, jako je použití netoxických materiálů, jsou klíčové pro udržitelnost a vhodnost těchto zařízení pro nasazení v nositelné elektronice.

Významným směrem jsou i aplikace perovskitových solárních článků ve vesmírných technologiích. Experimenty provedené na palubě satelitů ukázaly, že perovskitové články mají vysoký potenciál pro využití ve vesmíru díky své odolnosti vůči kosmickému záření a schopnosti produkovat energii při minimální hmotnosti. Studie, jako jsou ty, které prováděl Manca et al. v roce 2018, poskytují důležité poznatky pro nasazení těchto zařízení ve vesmírných podmínkách, což může mít dalekosáhlý vliv na budoucí vývoj solárních technologií pro vesmírné stanice a satelity.