Jak může solární energie nahradit fosilní paliva a proč právě perovskity mění pravidla hry?

Rozvoj a využívání různých energetických zdrojů po staletí zásadně formovaly lidskou společnost. Od průmyslové revoluce se fosilní paliva – uhlí, ropa a zemní plyn – stala hlavní hnací silou modernizace, umožnila exponenciální růst produktivity a vědeckotechnický pokrok. Avšak s nárůstem jejich spotřeby ve druhé polovině 20. století vyvstaly dva zásadní problémy: energetická krize a znečištění životního prostředí. V reakci na to se strategie většiny států posunuly směrem k rozvoji čistých a obnovitelných zdrojů energie. Mezi nimi se právě solární energie jeví jako klíčový kandidát pro budoucí globální energetickou transformaci.

Solární energie je produktem jaderné fúze probíhající v nitru Slunce, odkud se šíří k Zemi v podobě záření. Většina ostatních obnovitelných zdrojů – vítr, voda, biomasa – je jen nepřímým projevem solární aktivity. Země přijímá zhruba 173 000 terawattů sluneční energie, což je více než dostatečné množství pro pokrytí veškerých energetických potřeb lidské civilizace. Stačilo by pokrýt 0,1 % zemského povrchu solárními články s 10% účinností a energie by bylo dost pro všechny.

K výhodám solární energie patří minimální geografická omezení – lze ji využívat téměř kdekoliv, bez nutnosti přenosu. Neprodukuje žádné skleníkové plyny ani toxické látky a může být přímo konvertována na elektřinu bez velkých infrastruktur. Od malých zařízení jako kalkulačky až po satelity a solární letouny, její aplikace jsou široké. Nicméně, existují i výrazná omezení: nízká hustota energie na povrchu Země vyžaduje velké plochy, výkon kolísá vlivem denních a sezónních cyklů, počasí a účinnost přeměny energie je stále relativně nízká. Navíc počáteční investiční náklady na výrobu solárních článků zůstávají vysoké.

Přesto je další rozvoj křemíkových článků omezen náročnými výrobními procesy. K výrobě extrémně čistých křemíkových destiček (čistota vyšší než 99,9999 %) je zapotřebí energeticky náročná vysokoteplotní rafinace, která významně zvyšuje výrobní náklady. To vedlo k intenzivnímu hledání alternativních materiálů s nižšími náklady a nižší energetickou náročností.

Zásadní průlom přinesly až perovskitové materiály. Tyto látky s obecnou strukturou ABX₃ (kde A a B jsou kationty různé velikosti a X anion) umožňují širokou škálu chemického složení a krystalových struktur. První perovskit, titanát vápenatý (CaTiO₃), objevil v roce 1839 Gustav Rose v pohoří Ural a pojmenoval jej po hraběti Levovi Perovském. Od té doby bylo popsáno mnoho podobných sloučenin (např. BaTiO₃, PbTiO₃, BiFeO₃), které nacházejí uplatnění v různých oblastech, od piezoelektriky po elektroniku.

V oblasti fotovoltaiky však začala éra perovskitů teprve nedávno. Již v roce 1956 byla pozorována fotoproudová odezva v BaTiO₃, ale skutečný zájem vzbudily perovskity až díky možnosti ladění jejich struktury, snadné syntéze a výjimečně vysoké účinnosti konverze světla na elektrickou energii. Organokovové halogenidové perovskity, například na bázi methylammonium-olova-halogenidů, se v posledních letech staly středem pozornosti. Jejich účinnost se během dekády zvýšila z jednotek procent na více než 25 %, což je srovnatelné s komerčními křemíkovými články, avšak při potenciálně nižších výrobních nákladech a menší energetické náročnosti.

Významné výhody těchto materiálů zahrnují možnost výroby tenkovrstvých článků nízkoteplotními metodami, flexibilitu substrátů, laditelnost optických vlastností a potenciál pro integraci do stavebních materiálů nebo nositelné elektroniky. Perovskitové články tedy otevírají cestu k energetice budoucnosti, kde lokální, čistá a decentralizovaná výroba energie nahradí závislost na centrálních fosilních zdrojích.

Zásadní je porozumět nejen výhodám těchto technologií, ale i jejich současným omezením – zejména dlouhodobé stabilitě perovskitových článků, jejich odolnosti vůči vlhkosti, teplotě a UV záření, a také potenciálnímu toxickému dopadu některých použitých kovů (např. olovo). Intenzivní výzkum probíhá právě ve směru jejich ekologické bezpečnosti, recyklovatelnosti a možnosti nahrazení toxických prvků benigními alternativami. Právě tato oblast rozhodne, zda se perovskity stanou jen dočasným přechodovým jevem, nebo skutečně transformují globální energetiku.

Jak optimalizovat rozhraní v perovskitových solárních článcích pro zvýšení účinnosti?

Optimalizace rozhraní mezi perovskitovým materiálem a organickými vrstvami transportujícími díry (HTL) je klíčovým faktorem pro dosažení vysoké účinnosti perovskitových solárních článků (PSC). Kromě pasivace povrchu perovskitu, která je běžně používána k eliminaci defektů na povrchu, existují i jiné efektivní metody pro zajištění optimálního zarovnání energetických pásem na tomto rozhraní. Tento proces nejen zlepšuje extrakci nosičů náboje, ale také minimalizuje energetické ztráty a zajišťuje lepší fotovoltaickou výkonnost.

Mezi různými typy heterojunkcí typu II jsou gradientní heterojunkce považovány za velmi výhodné pro separaci fotonosičů. I když je tento přístup účinný, není možné opomenout vliv defektů na povrchu perovskitu, které mohou vést k zachytávání náboje na rozhraní perovskit/HTL a omezit tak celkovou účinnost. Vědecké výzkumy ukazují, že pasivace povrchu perovskitu je efektivní metodou, jak těmto problémům čelit. Mezi oblíbené materiály pro pasivaci patří organické sloučeniny, jako je PEAI, OAI nebo BAI.

Použití organických amonných solí namísto 2D perovskitových vrstev na rozhraní se ukázalo jako velmi účinné při pasivaci defektů a zlepšení výkonnosti zařízení. Amonné soli, jako je PEAI, OAI nebo NMAI, mohou chemicky navázat a pasivovat záporné i kladné iontové defekty, což zlepšuje stabilitu zařízení. Díky svým dielektrickým vlastnostem mohou tyto sloučeniny také zmírnit rekombinaci nosičů náboje. Při výběru vhodné amonné soli je nutné zvážit její schopnost pasivace i odolnost vůči tvorbě nízkorozměrných perovskitů.

Organické molekuly, které lze snadno zpracovávat roztokem a chemicky modifikovat, se také ukázaly jako efektivní při vytváření rozhraní v perovskitových článcích. Molekuly s různými funkčními skupinami mohou pasivovat defekty povrchu prostřednictvím vazebných interakcí, například vodíkových vazeb, a zároveň zajistit správné zarovnání energetických úrovní na rozhraní perovskit/HTL. K dosažení optimálních výsledků je důležité kontrolovat pořadí, rovnoměrnost a tloušťku molekulární vrstvy, aby se neovlivnila výkonnost zařízení.

Přítomnost izolačních polymerů na rozhraní perovskit/HTL může nejen potlačit rekombinaci způsobenou defekty, ale také výrazně zlepšit stabilitu zařízení. Polymery jako PMMA mohou fungovat jako účinné mezivrstvy pro optimalizaci tohoto rozhraní. Izolační polymery mají výhodu v tom, že mohou chránit perovskitové vrstvy před vnějšími vlivy, jako je vlhkost, čímž zajišťují lepší stabilitu zařízení v náročných podmínkách. Na druhou stranu, použití konjugovaných polymerů, které mají polovodičové vlastnosti a mohou tvořit kvalitní vrstvy, umožňuje lepší optimalizaci rozhraní a zajištění vyšší účinnosti.

Metody pasivace rozhraní však nejsou omezeny pouze na organické a polymerní materiály. Metalické soli, jako je strontiumní chlorid (SrCl2) nebo síran olovnatý (PbSO4), se ukázaly jako velmi účinné pro vytváření chemických vazeb s povrchem perovskitu, což brání migraci iontů a ztrátám nestabilních komponent. Kromě toho mohou tyto soli chránit perovskit před nepříznivými podmínkami, jako je vlhkost nebo vystavení světlu.

Uhlíkové materiály, které mají stabilní struktury a hydrofobní vlastnosti, se rovněž využívají na rozhraní perovskitových článků. Tyto materiály minimalizují reaktivitu s perovskitovými halogenidy a efektivně zabraňují migraci iontů v perovskitových vrstvách. Uhlíkové materiály jsou zároveň multifunkční, protože umožňují ladění energetických pásem a vykazují vynikající elektronické vlastnosti. Využití uhlíkových materiálů jako mezivrstvy v perovskitových solárních článcích se ukazuje jako slibná cesta k dosažení vysoké účinnosti a dlouhodobé stability, což otevírá možnosti pro komercializaci těchto zařízení.