Výzkum zaměřený na perovskitové solární články (PSC) ukazuje na složité interakce mezi světlem a hmotou v plazmonických perovskitových článcích. Ovlivnění výkonu zařízení různými morfologiemi a koncentracemi nanopartikulí je rozmanité, ale základní mechanismus spočívá v využití plazmového rezonančního efektu pro zlepšení absorpce světla v perovskitové vrstvě v širokém spektrálním rozsahu. Tento efekt podporuje disociaci excitonů a transfer nosičů, což vede k celkovému zlepšení výkonu zařízení. Začlenění plazmonických nanostruktur do PSC nejen zlepšuje absorpci světla, ale také má pozitivní i negativní vliv na jejich elektrické vlastnosti.

Přesto však není v mnoha případech jasná korelace mezi spektry LSPR jednotlivých nanostruktur a optickou absorpcí v perovskitové vrstvě PSC. Zlepšení účinnosti konverze energie (PCE) je přičítáno kombinaci vylepšeného spektra EQE a lepšího sběru nosičů, což jsou faktory spojené s přítomností plazmonických nanostruktur. Arinze et al. v nedávném přehledu zmiňují pesimističtější pohled na roli plazmoniky v PSC a naznačují, že zlepšení fotoproudu pomocí plazmonických přístupů může být omezeno na relativní nárůst 15%, což odpovídá zvýšení fotoproudu o 1−4 mA cm-2. Tento omezený potenciál pro zlepšení navrhuje, že by bylo užitečnější soustředit se na základní materiálové vlastnosti. Nicméně, na základě systematické a komplexní analýzy se domníváme, že existuje dostatek prostoru pro zlepšení absorpce světla a účinnosti PSC díky řízenému použití série lokálních povrchových plazmonů, které využívají kovy a jejich slitiny, polovodičové materiály, různé struktury a geometrie nanopartikulí. To je primárně možné díky unikátním výhodám, které tyto přístupy nabízejí, jako jsou ultratenké designy, rozmanité struktury zařízení a schopnost ubytovat širokou škálu dielektrických a kovových materiálů v konstrukci zařízení.

Příprava nanopartikulí, ačkoliv se může zdát jako jednodušší metoda, přináší značné výzvy v řízení velikosti, tvaru a rovnoměrnosti rozložení v solárních článcích. Nicméně, nastavením geometrických faktorů periodických mikrostruktur nebo nanostruktur je možné snadno naladit rezonanční vlnovou délku povrchových plazmonových módů v rozmezí viditelného až blízkého infračerveného spektra. Tyto struktury jsou navíc lépe modelovatelné, což usnadňuje teoretické zkoumání. Jeden z perspektivních přístupů k zlepšení výkonu PSC je využití periodických nanostruktur, známých jako texturace. Tyto struktury obvykle splňují podmínky nesouladu hybnosti a vykazují unikátní vlastnosti interakce se světlem, což z nich činí novou platformu pro zlepšení zachycování světla a hustoty proudu v PSC. Určité texturované substráty, jako například texturovaný c-Si substrát, nejen zlepšují absorpci světla v zařízení, ale také podporují růst perovskitových filmů s většími krystalovými zrnami, což přispívá k zlepšení účinnosti.

V roce 1974 Redfield zjistil, že světlo normálně dopadající na skloněný zadní reflektor může být následně odraženo a podstoupit celkový interní odraz na povrchu, čímž se excituje vlnovodový mód. Zachycování světla v rámci vlnovodu může být dosaženo mikrotexturací přední vrstvy vlnovodového článku. Z teoretického hlediska Haque et al. kombinovali vlastnosti protiodrazových a rozptylových vlastností dvou typů mikrotexturace na bázi geometrie semisféroidního titaničitého oxidu s včelí strukturou. Geometrie fotonických struktur je hexagonální mřížka semi-sférických kopulí nebo dutinových prvků. Optimalizovaná dutinová struktura umožňuje PSC s perovskitovou vrstvou o tloušťce 250 nm dosáhnout Jsc 28,62 mA cm-2, což je o 10,3% více než u běžných PSC s perovskitovou vrstvou o tloušťce 500 nm. Když jsou tyto mikrostruktury rozmístěny na přední straně PSC, optické mikrostruktury vyvolávají až 21% a 27% zlepšení fotoproudu u PSC s běžnou perovskitovou vrstvou o tloušťce 500 nm a ultra-tenkou vrstvou 250 nm, což je blízko k výsledkům, které odpovídají Lambertově limitům. Takové struktury navíc vykazují potenciál pro zajištění kritické role při prevenci degradace způsobené UV zářením.

K texturaci substrátů skla se považuje za účinnou metodu pro změnu povrchové morfologie za účelem zlepšení zachycování světla. Shi et al. použili texturované FTO substráty pro zvýšení účinnosti tenkých PSC o 22%, což otevírá cestu pro aplikace v poloprůhledných solárních článcích a tandemových zařízeních. Kim et al. optimalizovali skleněné substráty pokryté FTO pomocí jednoduché chemické úpravy k zlepšení fotovoltaických vlastností s až 24,4% zvýšením hustoty fotoproudu u PSC. Kim et al. také zkoumali nanostruktury a dynamiku elektronového transportu a rekombinace v PSC díky začlenění orientovaných TiO2 hemisférických polí s velikostmi 300 nm, 700 nm, 1 100 nm a 1 400 nm. Úpravy velikosti polystyrenových korálků při procesu razítkování vedly ke zlepšení PCE z 10,5% na 15,2%. Další studie Chen et al. se zaměřuje na dvourozměrné TiO2 nano-semi-sféry v texturovaných PSC, přičemž simulace ukazují, že texturovaná perovskitová vrstva o tloušťce 100 nm dosahuje zlepšení účinnosti absorpce světla o 16,8%, což představuje zvýšení o 16,8% oproti kontrolním vzorkům.

Tento přístup texturace nabízí efektivní a levný způsob zlepšení PSC díky nízkým nákladům, vysoké tepelně-chemické stabilitě polovodičových nanomateriálů. Zároveň to představuje slibnou metodu pro budoucí aplikace solárních článků.

Jak technologie enkapsulace zvyšuje životnost perovskitových solárních článků?

Degradace materiálů a rozhraní v perovskitových solárních článcích (PSC) představuje významný problém, který zásadně ovlivňuje jejich stabilitu a výkon. Organické vrstvy pro přenos náboje v těchto článcích jsou obzvlášť náchylné k oxidaci a hygroskopickým účinkům, což vede k poruše materiálů pro transport děr. Materiál spiro-OMeTAD, běžně používaný jako vrstva pro transport děr, je často dopován látkami jako Li-TFSI a tBP, které podporují vodivost a jsou považovány za nezbytné pro dosažení vysoké fotovoltaické účinnosti (PCE). Nicméně, ionty Li+ mají tendenci absorbovat vlhkost z ovzduší, což vede k jejich srážení na povrchu spiro-OMeTAD při teplotách kolem 85 °C. I když má spiro-OMeTAD teplotu tání 245 °C, jeho znečištění krystalizací při zahřívání na 100 °C může narušit kontakt na rozhraní. Výsledkem je difúze produktů rozkladu a materiálů elektrody do sousedních funkcionalizovaných vrstev, což vede k degradaci zařízení.

Dalším zdrojem degradace jsou anorganické materiály pro transport elektronů (ETM), jako je TiO2, které mohou způsobit oxidaci perovskitu při adsorpci kyslíku z okolí, což vede k degradaci článku. Metaly, jako je Au, Al, Ag a Cu, se také používají jako elektrody v PSC, ale přímý kontakt mezi těmito materiály (kromě Au) a perovskitem může vést k oxidaci elektrody volatibilními produkty z rozkladu perovskitu. Například kontakt Ag může být korodován jodem a vytvářet AgI. Migrace kovů skrz některé organické materiály pro transport děr také způsobuje degradaci výkonu. Proto přímý kovový kontakt není dlouhodobě životaschopným řešením pro stabilitu PSC.

Proces degradace a příslušné mechanismy jsou výsledkem kombinace fyzikálních a chemických procesů v různých materiálech PSC a jejich rozhraních, které jsou vystaveny různým vnějším a vnitřním faktorům. Důkladné pochopení těchto mechanismů degradace je nezbytné pro vývoj specifických strategií, které mohou pomoci zmírnit degradaci a zlepšit životnost těchto zařízení.

Enkapsulace technologie se ukázala jako účinný přístup pro zajištění ochrany perovskitových solárních článků proti negativním vlivům vnějšího prostředí. Tato technologie výrazně prodlužuje životnost PSC a je klíčovým krokem na cestě k jejich komercializaci. Enkapsulace pro PSC vykonává tři hlavní funkce: (1) vytváří bariéru proti vnikání vody a kyslíku, stejně jako proti úniku volatibilních produktů z rozkladu perovskitu; (2) zabraňuje úniku olova, které by mohlo kontaminovat životní prostředí; a (3) zvyšuje mechanickou pevnost zařízení, čímž mu umožňuje lépe odolávat nepříznivým povětrnostním podmínkám, jako je kroupy, sníh a silné větry během provozu.

Enkapsulace může poskytnout hermeticky uzavřené prostředí, které účinně izoluje PSC od vnější atmosféry. Pokračující degradace zařízení je primárně způsobena přítomností vody a kyslíku v kombinaci s dekompozicí volatibilních organických sloučenin, které jsou aktivovány teplem, elektrickými poli a světlem. Tento postupný proces degradace lze systematicky vysvětlit aplikací Van’t Hoffovy formule, která určuje směr reakce při různých teplotách. Jak koncentrace produktů vzrůstá v uzavřeném prostředí vytvořeném enkapsulací, zvyšuje se hodnota Q, což naznačuje, že reakce dosahuje rovnováhy.

Co se týče požadavků na enkapsulaci PSC, je třeba mít na paměti, že perovskitové solární články jsou náchylnější k degradaci než komerční křemíkové panely, které mají více než 20letou záruku díky jednoduché a levné technologii enkapsulace. Perovskitové články vyžadují rigidnější technologii enkapsulace, která musí být chemicky kompatibilní se všemi vrstvami solárních článků. Preventivní opatření proti pronikání vlhkosti je zásadní pro zlepšení životnosti perovskitových článků. Pro tento účel se běžně používají skleněné panely, enkapsulační materiály a okrajové těsnění k efektivnímu zablokování vlhkosti. Schopnost enkapsulace materiálů propustit vlhkost a kyslík je definována hodnotami WVTR (rychlost přenosu vodní páry) a OTR (rychlost přenosu kyslíku). Hodnota WVTR by měla být v rozmezí 10−3–10−6 g m−2 den−1 pro PSC.

Při přípravě perovskitového solárního filmu je nutné provádět procesy žíhání, které mohou vést k tvorbě mechanického napětí mezi vrstvami. V praktických aplikacích může dlouhodobý termální cyklus způsobit delaminaci a praskání, což může dále zhoršit vnikání vlhkosti. Aby se těmto problémům předešlo, musí mít materiál enkapsulace dostatečně nízký elastický modul, který sníží napětí v rámci vrstev. Teplota skelného přechodu (Tg) materiálu enkapsulace je dalším důležitým parametrem, protože materiály, které podléhají fázovým přechodům při vystavení teplotám, mohou vykazovat nežádoucí změny ve svých vlastnostech.

Jak zlepšit dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články (PSC), technologie, která si získala pozornost díky své vysoké účinnosti konverze energie (PCE) dosahující 26,1 %, čelí stále významné výzvě v podobě dlouhodobé operační stability. Ačkoli se za poslední roky podařilo dosáhnout pokroku v oblasti stability těchto článků, jejich životnost stále nedosahuje hodnot, jaké mají například křemíkové solární články, které mají garantovanou životnost přes 25 let. Ačkoli výsledky pokusů ukazují na slibný vývoj, operační stabilita perovskitových článků zůstává omezená a často se pohybuje v řádu tisíců hodin, zejména při dlouhodobém působení simulovaného slunečního světla nebo skutečných venkovních podmínek.

Stabilita perovskitových solárních článků závisí na několika faktorech, mezi které patří absorpční vrstva perovskitu, vrstvy pro transport náboje, kovové elektrody a příslušné rozhraní. V případě článků typu n-i-p bylo prokázáno, že organické materiály pro transport děr, jako je spiro-OMeTAD, podléhají rychlé degradaci během dlouhodobého provozu, což omezuje jejich stabilitu. Tento problém lze částečně vyřešit použitím stabilnějších kovových oxidů, například NiO, v článcích typu p-i-n, avšak i tyto materiály mají své vlastní slabiny, které se projevují při dlouhodobém vystavení. Mezi dalšími výzvami zůstávají i koroze kovových elektrod, jako je stříbro, které reaguje s halidovými perovskity, nebo migrace zlata v článcích, což může vést k problémům s přechody mezi vrstvami.

V současnosti se pozornost zaměřuje na různé inovace v oblasti encapulace, která má zabránit úniku olova z perovskitových článků, což je zásadní pro ekologickou bezpečnost. Nové materiály a technologie, jako jsou samoléčivé polymery a lepší vrstvy pro uzavření článků, představují velký pokrok v této oblasti. Několik studií ukazuje, že aplikace těchto nových materiálů dokáže značně zvýšit stabilitu článků i při dlouhodobém používání. Například metody, které umožňují uzavření olova, jež by mohlo uniknout z poškozených článků, jsou nadějným krokem k dosažení dlouhodobé bezpečnosti perovskitových solárních článků.

Přestože byly dosaženy výrazné pokroky ve stabilizaci perovskitových solárních článků, stále existuje velký prostor pro zlepšení, zejména co se týče obchodní připravenosti této technologie. Různé strategie se vyvíjejí, aby byla zajištěna větší odolnost těchto článků, včetně optimalizace struktury článků, použití odolných materiálů pro elektrody a zlepšení metod encapulace. Další výzvou bude přenesení těchto výsledků z laboratoří do komerčně dostupných produktů, což vyžaduje řešení technických, ekonomických a ekologických problémů.

Důležitou součástí výzkumu je i pokračující testování stabilních výstupů pod různými podmínkami. Významným krokem vpřed byl například vývoj trojité vrstvy meso-porézního perovskitu, která ukázala stabilní výkon po testování na simulovaném slunečním světle AM1.5G po více než 1000 hodin. Stejně tak i dlouhodobé testy ve venkovních podmínkách v horké pouštní oblasti, jako je Jeddah v Saúdské Arábii, ukázaly, že perovskitové články mohou vykazovat stabilitu i při extrémních podmínkách, pokud jsou správně navrženy a chráněny.

Dalším klíčovým faktorem pro zajištění dlouhodobé stability je správná volba materiálů pro vrstvy transportu náboje a elektrody. Výzkum v oblasti stabilních kovových elektrod, které odolávají korozi, a nových, vysoce efektivních materiálů pro transport náboje přináší nové možnosti pro zlepšení výkonu a trvanlivosti solárních článků. Také testování stability při vysokých teplotách, jak ukazují některé studie, naznačuje, že perovskitové články mohou vykazovat lepší stabilitu, pokud jsou chráněny před vysokými teplotami a vlhkostí.

Důležitým směrem bude i další vývoj v oblasti integrace perovskitových solárních článků do stávajících technologií a jejich komercializace. Očekává se, že s dalším zlepšováním těchto technologií budou perovskitové solární články v budoucnu schopny konkurovat křemíkovým solárním článkům jak v oblasti ceny, tak i v dlouhověkosti. Klíčovým úkolem pro vědeckou a průmyslovou komunitu bude tedy vyřešit zbývající výzvy, které brání plné komercializaci této perspektivní technologie.

Jak efektivně řešit úniky olova v perovskitových solárních článcích?

Perovskitové solární články představují jednu z největších nadějí pro budoucnost fotovoltaiky, ale jejich stabilita a ekologické problémy spojené s únikem olova zůstávají výzvou. Tento problém je obzvláště důležitý v souvislosti s dlouhodobým používáním těchto zařízení a jejich potenciálním vlivem na životní prostředí. Jak tedy efektivně zmírnit tento problém a zajistit vyšší stabilitu těchto článků?

Jedním z přístupů, jak zlepšit stabilitu perovskitových filmů, je použití materiálů, které mohou vytvořit ochrannou vrstvu a zamezit úniku olova. Například zkoumání použití pseudo-halogenového amonného soli, hexadecyltrimethylammonium hexafluorofosfátu (HTAP), ukázalo, že modifikace perovskitových filmů touto látkou vede k vyšší voděodolnosti. Experimenty s ponořením těchto filmů do vody prokázaly, že HTAP efektivně zamezuje vnikání vody, čímž se zlepšuje stabilita a ochrana materiálu před degradací.

Dalším způsobem je pasivace rozhraní mezi vrstvami perovskitu pomocí molekul, jako je benzylakrylát (BzA), které mohou tvořit křížově propojenou vrstvu. Tato vrstva uzavírá rozhraní a zabraňuje erozivnímu působení vody a kyslíku, což vede k menšímu úniku olova. Ve srovnání s nechráněnými perovskitovými vrstvami, u kterých koncentrace Pb2+ (olovnatých iontů) v roztoku dosáhla 12,3 ppm, se u vzorků chráněných BzA koncentrace těchto iontů snížila na 2,1 ppm. To naznačuje, že použití BzA účinně chrání životní prostředí před kontaminací.

Pokud jde o zlepšení stability perovskitových článků, lze také použít různé metalorganické rámce (MOF), které jsou známé svou schopností adsorbovat těžké kovy, včetně olova. Různé variace MOF materiálů mohou účinně snížit koncentraci Pb2+ v olovnatých roztocích, což je klíčové pro snížení ekologického rizika spojeného s únikem olova z těchto solárních článků. Významně byla zkoumána kombinace MOF s polyoxometaláty (POM), které vykazují silnou schopnost adsorbovat olovo a zlepšují stabilitu zařízení za vlhkých podmínek.

Další výzvou je únik olova přes elektrody v perovskitových solárních článcích. Použití uhlíkových elektrod může pomoci zamezit pronikání vody do tenkých vrstev perovskitu, což zlepšuje dlouhodobou stabilitu těchto článků. Kromě toho, použití kationově výměnných pryskyřic na uhlíkových elektrodách vedlo k redukci úniku olova o více než 90 %. Tyto elektrody mohou podstatně zlepšit ekologickou bezpečnost solárních článků, zejména pokud jsou vystaveny extrémním povětrnostním podmínkám, jako jsou kyselé deště.

Jedním z nových směrů v ochraně perovskitových článků proti úniku olova je aplikace thiol-funkcionalizovaných metalorganických rámců (MOF) jako vrstvy pro extrakci elektronů (EEL) na rozhraní perovskitu a katody. Tyto materiály mají schopnost vázat Pb2+ ionty a tvořit vodou nerozpustné sloučeniny, čímž minimalizují únik olova. Tento přístup ukázal snížení koncentrace Pb2+ až o 80 % v porovnání s tradičními články bez této vrstvy.

V oblasti adsorpce olova je také třeba zmínit materiály, které kombinují adsorpční skupiny, jako jsou —SO3H, —PO2-4, —SH, —COOH, s hydrofobními skupinami (například —CF3, —F, CH2n). Takové materiály dokážou zajišťovat stabilní a bezpečné perovskitové solární články, které odolávají vnějším vlivům a zároveň chrání před únikem olova. Hydrofobní skupiny tvoří bariéru proti vodě, zatímco adsorpční skupiny efektivně vážou Pb2+ ionty, čímž zajišťují dlouhodobou stabilitu zařízení.

Kromě těchto technik se dnes stále více zkoumá i externí chemisorpce, což zahrnuje přípravu ochranné funkční vrstvy, která obaluje celý solární článek. Tento přístup má výhodu v rychlosti adsorpce a vysoké účinnosti, přičemž by měl zajistit i dostatečnou chemickou stabilitu, vysokou propustnost světla a vodní nerozpustnost. Při nehodě, jako je prasknutí článku, by taková vrstva mohla výrazně omezit riziko kontaminace olovem.

V závěru je třeba zdůraznit, že hledání efektivních způsobů ochrany před únikem olova je klíčové pro široké přijetí perovskitových solárních článků na globálním trhu. Pokrok v této oblasti bude záviset na kombinaci různých přístupů, které nejen zlepší stabilitu solárních článků, ale také minimalizují jejich ekologický dopad.

Jak změna mediálního prostředí vedla k autokracii?
Jak se vyrovnávají opice s náročnými podmínkami prostředí?
Jak navrhnout a analyzovat základové struktury pro větrné turbíny na moři: Praktické aspekty a zásady