Jak vnější faktory ovlivňují napětí v perovskitových materiálech?

Napětí, které vzniká v krystalové mřížce perovskitových materiálů, může být silně ovlivněno různými vnějšími podmínkami, jako jsou změny teploty, světelné podmínky, elektrické napětí nebo mechanické síly. Vzhledem k tomu, že perovskitové materiály hrají klíčovou roli v moderních fotovoltaických zařízeních, je důležité porozumět tomu, jak se napětí v těchto materiálech vytváří a jak může ovlivnit jejich výkon.

Například, jak ukázala studie Xue et al., rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti mezi perovskitovým materiálem a podložkou může vést k napětí v perovskitovém filmu během procesu žíhání, který je nezbytný pro krystalizaci materiálu. Při vyšších teplotách, které jsou potřebné pro zlepšení krystalinity, se tento rozdíl stává výraznějším, což může vést k tvorbě napětí ve filmu, a to jak ve směru tahání (tensile), tak stlačování (compressive).

Dalšími faktory, které mohou ovlivnit napětí, jsou světelné podmínky a elektrické napětí. Při vystavení perovskitového materiálu světlu dochází k změnám v mřížkové struktuře, což vede k jejímu roztažení. Tato změna může mít za následek vznik napětí, což je proces známý jako fotoindukované napětí. Podobně aplikace elektrického napětí může mít dopad na morfologii povrchu perovskitového filmu. Pozitivní napětí vede k tvorbě vlnitého povrchu, zatímco negativní napětí naopak tyto nepravidelnosti vyrovnává.

Důležitým aspektem je také vliv mechanického tlaku. Při aplikaci hydrostatického tlaku nebo při ohýbání flexibilních substrátů může být mřížka materiálu deformována, což může vést k indukci napětí, ať už tahového nebo stlačujícího.

Vliv napětí na perovskitové materiály není pouze teoretický. Zbývající napětí v těchto materiálech může vést k významným změnám v jejich fyzikálních vlastnostech. Například, jak ukázala studie Chen et al., tepelné roztažení způsobené osvětlením může zhoršit vazby mezi atomy v mřížce, což vede k migraci iontů a zhoršení stability materiálu. To může mít za následek zhoršení výkonu solárních článků, které používají tyto materiály, protože migrace iontů může vést k halogenové segregaci a vytváření defektů v krystalové mřížce.

Důležité je, že napětí v perovskitových materiálech není vždy čistě tahové nebo stlačující. V praxi se často setkáváme s kombinací různých typů napětí, což činí analýzu napětí v těchto materiálech složitější. K přesnému měření napětí se používají různé charakterizační techniky, přičemž jednou z nejběžněji používaných metod je rentgenová difrakce (XRD). Tato technika umožňuje určit napětí podle posunu vrcholů difrakčních spekter. Změny v mezery mezi atomy v mřížce způsobují změny v poloze difrakčních vrcholů, což lze využít k určení napětí.

Zajímavým zjištěním, které v posledních letech vyšlo najevo, je, že kromě tepelného roztažení nebo elektrického napětí, mohou perovskitové materiály vykazovat i napětí způsobené jejich chemickým složením nebo světelnými podmínkami. Například u MAPbI3 perovskitů došlo při vystavení světelnému záření k rozpadu vodíkových vazeb, což způsobilo roztažení mřížky a zhoršení vazeb Pb-I. Tento proces může vést k migraci halogenových iontů a následnému vytváření defektů, což je negativní jev pro stabilitu a účinnost materiálu.

Pro zajištění vysoké účinnosti perovskitových solárních článků je kladeno důraz na minimalizaci těchto napětí. To znamená, že při vývoji perovskitových materiálů a solárních článků je nutné pečlivě vybírat substráty a vrstvy, které budou mít co nejmenší nesoulad v tepelné roztažnosti a zároveň zohlednit další faktory, jako je světlo a elektrické napětí. Rovněž je důležité správně nastavit procesy žíhání, aby se minimalizovalo riziko vzniku zbytkového napětí.

Jak regulace fázového přechodu zlepšuje výkon perovskitových solárních článků

Přítomnost histeréze v měření charakteristik J-V u perovskitových solárních článků (PSC) představuje významný problém, který ovlivňuje přesnost vyhodnocení jejich účinnosti. Histeréza vzniká v důsledku různých měřicích protokolů, které zahrnují rychlost skenování, směr skenování, rozsah napětí, předchozí podmínky a architekturu zařízení. Tento jev se projevuje výraznými změnami v měřených datech, což ztěžuje získání přesného obrazu o skutečné účinnosti solárního článku. Mezi hlavní příčiny tohoto jevu patří migrace iontů během skenování J-V křivky, což vede k ohýbání interfacialních pásem, pohyb mezifázových defektů v podmínkách provozu zařízení a ferroelectricita aktivní vrstvy. V posledních letech se intenzivně pracuje na odstranění těchto problémů, přičemž hlavními směry výzkumu jsou modifikace elektronově transportní vrstvy (ETL), změna složení perovskitové vrstvy a dopování vrstvy hole transportu.

Fázová stabilita perovskitových materiálů je klíčová pro dosažení vysoké výkonnosti a stability solárních článků. V poslední době se ukázalo, že FA-bohaté perovskity vykazují delší délku difúze náboje a lepší bandgap než MA-perovskity. Vzhledem k výzvám, které přináší stabilita α-fáze u FA-bohatých zařízení, byly vyvinuty různé strategie pro regulaci fázového přechodu v aktivní vrstvě perovskitu. Mezi tyto strategie patří inženýrství napětí, změna složení, tepelné inženýrství, intramolekulární výměna a inženýrství rozhraní. Tyto metody umožňují lepší kontrolu nad fázovými přechody, což vede k stabilnějším a efektivnějším solárním článkům.

Důležitým faktorem pro zajištění stabilní fáze je kontrola procesu krystalizace. Během tvorby krystalů mohou nastat nechtěné přechody mezi různými fázemi perovskitu, což může vést ke vzniku mikrotrhlin a defektů na povrchu a mezi zrna. Použití různých aditiv, jako je methylamoniumbutyrát (MAB), pro úpravu perovskitové vrstvy ukázalo zlepšení stability v porovnání s běžnými perovskity. Tyto přísady ovlivňují strukturu molekul během fáze přechodu a zajišťují lepší stabilitu jak v atmosférických podmínkách, tak při vystavení světlu.

Jak správně připravit perovskitové solární články: Klíčová role rozpouštědel a jejich vliv na strukturu a výkonnost

Při přípravě perovskitových solárních článků je rozhodující správná volba rozpouštědel, která mají zásadní vliv na strukturu a výkonnost vytvořených tenkých filmů. Solventní inženýrství se stalo klíčovým faktorem pro dosažení vysoce kvalitních perovskitových filmů, které vykazují optimální vlastnosti pro solární aplikace. Mezi nejběžnější použité rozpouštědla patří dimethylformamid (DMF), dimethylsulfoxid (DMSO) a jejich směsi, které umožňují regulovat růst perovskitových krystalů, orientaci molekul a celkovou morfologii filmu.

Při přípravě perovskitových prekursorových roztoků se často využívá kombinace DMF a MAI (methylammonium jodid), které jsou klíčovými složkami pro tvorbu perovskitové struktury. Když je koncentrace MAI v roztoku postupně zvyšována, PbI2-DMF komplex se mění na jodoplumbátové koordinační komplexy. Tento proces je důsledkem nižší koordinační schopnosti DMF vůči Pb2+ iontům, což vede k tvorbě kolloidních perovskitových shluků, které mají jehlicovitý tvar, zejména při nižším molárním poměru MAI:PbI2 (méně než 1:1). Při optimálním poměru 1:1 dochází k dalšímu zpevnění nanorodů, což vede k tvorbě mikroskopických bundlů nanorodů.

Přítomnost vody v roztoku hraje klíčovou roli při zlepšování kvality připravených perovskitových filmů. Malé množství vody (například 2 % hmotnosti) může výrazně zlepšit homogenitu roztoku a výsledný film bude hustý a bez pinholů, což se pozitivně projevuje na výkonnosti solárního článku. Tento přístup vedl k dosažení vynikající účinnosti až 18 % s vysokým faktorem naplnění (FF) 0,85. Pokud je však koncentrace vody příliš vysoká, například nad 20 %, může to zpomalit rychlost sušení a snížit rychlost nukleace perovskitových krystalů, což má za následek vytvoření větších krystalů a hustších filmů, ale také může ovlivnit reprodukovatelnost a homogenitu filmů, což má vliv na výkon článku.

Podobně, solventní směs DMF a DMSO se ukázala jako ideální pro přípravu kvalitních perovskitových filmů. DMSO, který má silnější koordinaci s Pb2+ než DMF, zpomaluje interakci mezi MAI a PbI2, což vede k vytvoření stabilní mezifáze MAI-PbI2-DMSO během tvorby filmu. Tato mezifáze významně přispívá ke zpomalení procesu nukleace a růstu perovskitových krystalů, což umožňuje vytvoření rovnoměrně strukturovaných a vysoce orientovaných krystalů. Při správném poměru DMF/DMSO se daří dosáhnout tenkého filmu s velkými a dobře zarovnanými perovskitovými krystaly, které se silněji spojují se substrátem, což zlepšuje celkový výkon článku.

Je rovněž důležité zmínit, že přítomnost DMSO v prekursorovém roztoku pomáhá zpomalit krystalizaci a umožňuje lepší růst perovskitových vrstev bez vzniku nežádoucí poréznosti. Pokud je koncentrace DMSO příliš vysoká, může to vést k příliš pomalé krystalizaci a vytvoření nepravidelných perovskitových krystalů, což negativně ovlivní morfologii filmu a jeho výkonnost. Důležité je tedy nalézt optimální poměr mezi DMSO a DMF, který umožní růst čistých, stabilních perovskitových filmů bez defektů.

Dalším aspektem, který nelze přehlédnout, je vliv různých molekulárních interakcí mezi MAI, PbI2 a rozpouštědly, které mohou ovlivnit nejen strukturu krystalů, ale i jejich orientaci. Vysoká orientace perovskitových krystalů je klíčová pro dosažení vysoké účinnosti solárního článku, protože zajišťuje lepší elektrickou vodivost a minimalizuje energetické ztráty. Pro optimální výsledek je tedy nezbytné jemně ladit parametry rozpouštědel a koncentrací, což bude mít zásadní vliv na výslednou výkonnost a stabilitu perovskitového solárního článku.