Jak efektivně testovat úniky olova z perovskitových solárních článků?

V posledních letech se perovskitové solární články (PSC) staly nadějnými kandidáty na široce využívané solární technologie, přičemž jejich vysoká účinnost a relativně nízké náklady zajišťují, že se tato technologie neustále vyvíjí. Nicméně, stejně jako u jiných technologií, existují i výzvy spojené s environmentálním dopadem. Jedním z hlavních problémů je potenciální únik olova z těchto článků, což může mít negativní důsledky pro zdraví lidí a pro životní prostředí.

Další problém související s PSC je únik olova při extrémních podmínkách, jako jsou požáry, kroupy či silné deště. V takových situacích se olovo může uvolnit do ovzduší nebo kontaminovat okolní prostředí. Výzkum Coningse a kolegů ukázal, že při vystavení PSC teplotám až 760 °C se perovskit rychle rozpadá na PbI2. To naznačuje potřebu přísnějších testovacích metod, které by lépe simulovaly reálné podmínky a zajistily vyšší bezpečnost těchto zařízení.

Testování bezpečnosti PSC podmínkami jako jsou kroupy je klíčové pro jejich dlouhodobou životnost a minimalizaci rizika úniku olova. V rámci testování se provádí simulace extrémních povětrnostních podmínek, jako jsou deště, sníh nebo silné větry. Taková zátěžová testování pomáhají zjistit, jak odolné jsou perovskitové články vůči mechanickému poškození a jaké jsou jejich limity, pokud jde o úniky olova. Důležitým faktorem, který je třeba při testování zohlednit, je pH dešťové vody, protože kyselost může výrazně ovlivnit rozpustnost Pb2+ v kapalinách.

Další běžně používanou metodou testování je tzv. ponorný test, kdy se poškozené PSC ponoří do kyselé vody, což simuluje napadení dešťovou vodou. Tento test poskytuje důležité údaje o úniku olova z článků a pomáhá odhalit míru kontaminace. Teplota vody v těchto testech hraje klíčovou roli, protože ovlivňuje rychlost a množství úniku Pb2+. Takové testování napomáhá stanovit bezpečné limity pro použití perovskitových článků v reálném prostředí.

Pro detekci úniku olova se v praxi využívá několik technologií. Jednou z nejběžnějších je metoda flame atomic absorption spectrometry (FAAS), která je vysoce citlivá a cenově dostupná. Tato technika umožňuje přesné měření koncentrace olova ve vzorcích a je vhodná pro širokou škálu analýz. Dalšími pokročilými metodami jsou ICP-MS (induktivně k optickému emisní spektrometru) a ICP-OES (induktivně vázaná plazmová hmotnostní spektrometrie), které se liší v principu měření a použitelnosti, ale obě mají své výhody při analýze trace kovů a ultra-trace prvků.

Je důležité si uvědomit, že při testování úniků olova z PSC je třeba zohlednit nejen samotné technologie, ale i podmínky prostředí, včetně teploty, pH a intenzity srážek, které mohou výrazně ovlivnit výsledky testování. Pokročilé analytické metody umožňují nejen detekci úniků, ale také přesněji posoudit rizika spojená s těmito zařízeními.

Jaké výzvy čekají perovskitové solární články na cestě k komercializaci?

Pro komercializaci perovskitových solárních článků je však kladeno mnoho nároků na jejich životnost, která by měla dosahovat 20–25 let, stejně jako u tradičních fotovoltaických modulů. Life-cycle analýza (LCA) se používá k analýze environmentální stopy fotovoltaických produktů, aby se nasměrovala udržitelná zlepšení v oblasti jejich výroby a využívání. Právě schopnost zajištění dlouhé životnosti těchto článků je klíčová pro jejich širší nasazení nejen na Zemi, ale i ve vesmírných aplikacích.

Nicméně, přestože jsou perovskitové solární články stále vnímány jako revoluční technologie, komercializace této technologie čelí několika zásadním překážkám. Stabilita perovskitových solárních modulů, problémy spojené s výrobními náklady, recyklovatelností a ekologickými otázkami, jako je potenciální únik olova, jsou některé z klíčových faktorů, které je třeba vyřešit pro jejich úspěšnou komercializaci. Na výzvy spojené s upscalingem výroby (jako je zvýšený sériový odpor u velkých zařízení, nehomogenita filmů a ztráty při sběru nositelů náboje) naráží mnoho výrobních procesů. Je nezbytné optimalizovat výrobní procesy tak, aby bylo možné vyrábět perovskitové solární moduly v komerčních množstvích a dosahovat přitom vysoké účinnosti, která by odpovídala výkonu laboratorních modelů.

Velmi důležitým faktorem pro rozvoj této technologie je rovněž stabilita perovskitových solárních článků a absence standardizovaných testovacích protokolů pro testování jejich stability. Bez těchto standardů je velmi obtížné získat porovnatelné výsledky a odhalit klíčové mechanismy degradace těchto článků. Nedostatečné porozumění defektům a mechanismům rekombinace tak stále brání efektivnímu zlepšení stabilitní výkonnosti těchto zařízení.

Pokud jde o měřítka výkonu perovskitových solárních článků, na laboratorní úrovni (<1 cm2) došlo k dramatickému pokroku, kdy účinnost dosáhla až 26,1 %. Tento výsledek je velmi blízko teoretickému limitu účinnosti dle modelu Shockley-Queisser, který činí přibližně 33,8 %. Tato vylepšení byla dosažena především díky kontrolování krystalinity perovskitových materiálů a povrchovým úpravám, které minimalizují defekty v tenkých vrstvách. V souvislosti s většími moduly (>10 cm2) se však výkon začíná snižovat kvůli složitosti hydrodynamických omezení, tvorby hustých a homogenních filmů a vyšší rekombinaci nositelů náboje na rozhraní vrstev. Pro komerční aplikace je tedy nezbytné zlepšit metody výroby, které umožní přesné řízení tloušťky filmů a zajištění kompatibility s masovou výrobou. V posledních letech se začaly používat nové metody, jako je ink-engineering a metoda blade-coating, které umožňují dosáhnout výkonnosti až 24,42 % při výrobě modulu o velikosti 1 cm2.

Přestože se perovskitové solární články ukazují jako technologicky vysoce pokročilé, cesta k jejich komercializaci není jednoduchá. Bude záviset na dalším vývoji výrobních technologií, výzkumu a vývoji stabilitních testů, a především na schopnosti snížit náklady na výrobu. Dosažení komerčně životaschopných perovskitových solárních článků je klíčem k přechodu na udržitelné energetické zdroje a k dosažení ambiciózních cílů v oblasti ochrany životního prostředí.

Jaké metody depozice perovskitových vrstev jsou klíčové pro zajištění stabilních a efektivních solárních článků?

Jednou z nejběžnějších metod je vícerozdrojová ko-evaporační depozice (MSVD), při které se současně odpařují kovové halogenidy a amonium soli. Tento proces umožňuje vysoce efektivní tvorbu perovskitových vrstev, jejichž vlastnosti jsou silně závislé na materiálu, z něhož jsou tyto vrstvy odpařovány, na teplotě substrátu a na následném žíhání. Avšak MSVD není bez problémů, zejména pokud jde o složitost operací a obtíže při dosahování stochiometrických perovskitových vrstev. Alternativně byla vyvinuta metoda single-source thermal-evaporation, která je jednodušší a umožňuje dosahovat kvalitní perovskitové vrstvy bez nutnosti komplexních zařízení, nicméně stále má své limity v oblasti kontrolování složení materiálů.

K dalším pokročilým metodám patří depozice pomocí chemické páry (CVD), která využívá plynné prekurzory k vytvoření perovskitových vrstev prostřednictvím chemických reakcí. Tato metoda je výhodná, protože umožňuje kontrolovat strukturu kovových halogenidů na základě vlastností povrchu substrátu, což je klíčové pro dosažení požadovaných výsledků. Zajímavým přístupem je také metoda pulzní laserové depozice (PLD), kde jsou klíčovými parametry energie pulzu a frekvence pulzů laseru. PLD umožňuje zachovat stochiometrické vlastnosti materiálu a poskytuje vysokou přesnost při formování perovskitových vrstev.

Nicméně i když tyto metody jsou efektivní pro depozici mnoha materiálů, nejsou ideální pro materiály s vysokými teplotami sublimace. Proto byly vyvinuty alternativní techniky, jako je atomární vrstvová depozice (ALD), magnetronové sputtering a depozice elektronovými paprsky, které umožňují depozici funkčních vrstev při teplotách přesahujících 1800 °C. Tato metoda je nezbytná pro přípravu vrstvy, jako jsou TiO2, SnO2 nebo Al2O3, které jsou běžně používány v perovskitových solárních článcích.

Pro zajištění opakovatelnosti procesu je nutné zvládnout výrobu solárních článků z roztokových prekurzorů. Chemie těchto prekurzorů je velmi komplexní a její řízení je klíčové pro dosažení reprodukovatelnosti na velkých plochách. Kontrola složení roztoku a rychlé krystalizace může pomoci zlepšit výsledky a zvýšit opakovatelnost výroby.

Pro zajištění dlouhodobé životnosti perovskitových solárních článků je kladeno důraz na akcelerované životnostní testy, které simulují zátěž během jejich provozu. Mezi nejdůležitější testy patří testy fotostability, tepelné stability a odolnosti proti vlhkosti. Na základě mezinárodních standardů (IEC61215:2016) se měří fotostabilita při vystavení slunečnímu záření a UV záření, stejně jako tepelná stabilita při vysokých teplotách a vlhkosti. Je nezbytné, aby testované články prokázaly minimálně 1000 hodin stabilního výkonu při vystavení těmto podmínkám.

Kromě laboratorních testů je pro predikci životnosti článků nezbytné také dlouhodobé testování v reálných podmínkách. Nejnovější studie ukazují, že perovskitové solární články se vyznačují vysokou stabilitou i při extrémních klimatických podmínkách, což je klíčové pro jejich komerční úspěch v reálném světě.