Jak zlepšit výkon a stabilitu perovskitových solárních článků pomocí modifikace hranic zrn a rozhraní

V posledních letech byla provedena řada výzkumů zaměřených na zlepšení výkonu a stability perovskitových solárních článků (PSC). Jedním z klíčových faktorů, který ovlivňuje celkový výsledek, jsou hranice zrn a rozhraní mezi perovskitem a ostatními vrstvami, jako jsou hole transportní vrstva (HTL) a elektron transportní vrstva (ETL). Posílení mechanické stability mezi perovskitem a poly(triaryl amine) (PTAA) HTL je možné díky účinku mechanického zámku, což vede k lepší výkonnosti a stabilitě perovskitových solárních článků. Tento efekt byl podrobně zkoumán v mnoha vynikajících studiích.

V jedné z významných studií se M. Lefler a kolegové rozhodli zavést fluor do perovskitu, což je malý prvek s vysokou elektronegativitou. Fluor zlepšuje iontové vazby mezi kationy na B-místě perovskitu a jinými halogeny, a jeho elektronegativita zvyšuje dipólové momenty v perovskitu, což zlepšuje intermolekulární vazby mezi organickým kationtem a BX6 oktahedrálním rámcem. Tento přístup významně zvyšuje mechanickou pevnost a stabilitu perovskitu, což má pozitivní vliv na celkový výkon solárních článků.

Další zajímavý přístup byl uveden Zhao et al., kteří prokázali, že přídavek NiI2 umožňuje doping Ni2+ ionty do mezerových mřížek perovskitu. Takto distribuované Ni2+ ionty na horní a dolní straně perovskitového filmu zlepšují kvalitu perovskitového filmu, efektivně potlačují mezifázovou rekombinaci a zajišťují lepší extrakci náboje. Tento přístup přispívá k zlepšení jak výkonu, tak stability perovskitových solárních článků.

Využití organických iontových plastických krystalů je dalším způsobem, jak zlepšit výkon a stabilitu. Wang et al. přidali 1,1'-Spirobipyrrolidinium hexafluoride (SBP+ PF6-) do CsPbI2Br perovskitu, což umožnilo pasivaci defektů na rozhraní perovskitového filmu a zlepšení jeho krystalizace. Výsledky ukázaly, že tato modifikace zlepšila stabilitu článků a zvýšila jejich účinnost tím, že minimalizovala vady na okrajích zrn a v mezích mezi jednotlivými vrstvami perovskitu.

Zajímavý výzkum také zahrnuje použití kombinace APTES a PA ligandů pro synergistickou pasivaci různých povrchových defektů perovskitových kvantových teček (PQDs). V této studii bylo prokázáno, že interakce mezi APTES a PA ligandy zajišťují silné iontové vazby s MA+, Pb2+ a Br- defekty, což umožňuje efektivní pasivaci a zlepšení celkové účinnosti zařízení.

Kromě těchto přístupů se stále více zkoumá aplikace 2D/3D heterojunkce pro synergistickou modifikaci celkového zařízení perovskitového solárního článku. Li et al. ukázali, že ošetření rozhraní MAPbI3 perovskitového filmu pomocí hydrofobního tetra-amoniového zinku ftalocyaninu (ZnPc) umožňuje vytvoření 2D/3D perovskitového heterostruktury, což zlepšuje pasivaci hranic zrn a zároveň zvyšuje stabilitu článků. Podobně Zhou et al. představili novou strategii zlepšení účinnosti a stability 2D/3D perovskitových filmů pomocí modifikace difúzní pasivace s přídavkem PEAI a DMF.

Všechny tyto metody ukazují, jak důležitá je optimalizace hranic zrn a rozhraní v perovskitových solárních článcích pro dosažení maximální efektivity a stability. Významným směrem je i vývoj nových materiálů a přísad, které zlepšují pasivaci defektů na povrchu a v hranicích zrn, čímž minimalizují rekombinaci a zajišťují efektivní transport náboje.

Jaký vliv mají přísady na stabilitu a výkon perovskitových solárních článků?

Perovskitové solární články (PSCs) představují jednu z nejvíce inovativních technologií v oblasti solární energie, a to díky své vysoké účinnosti a relativně nízkým výrobním nákladům. Jedním z klíčových faktorů, které ovlivňují výkon a dlouhověkost těchto článků, je inženýrství přísad. Přísady mohou výrazně zlepšit nejen samotný proces tvorby perovskitových tenkých vrstev, ale i stabilitu článků během jejich dlouhodobého provozu.

Při přípravě perovskitových vrstev, které jsou jádrem těchto solárních článků, se často používají různá rozpouštědla a přísady, které pomáhají v optimalizaci jejich krystalizace a zajišťují homogenní strukturu. Například použití Lewisových bází, jako je pyridin, může vést k lepší krystalizaci perovskitového materiálu, což zlepšuje jeho optické a elektronické vlastnosti. Kromě toho mohou přísady stabilizovat amorfní fáze perovskitu, což prodlužuje životnost článků a zvyšuje jejich odolnost proti vlhkosti a vysokým teplotám.

Vysoký vliv na výkon mají i takzvané „antisolventní“ techniky, kdy se do procesu výroby přidává vhodné rozpouštědlo, které pomáhá v tvorbě jemně strukturovaných filmů. Tento proces často vede k vytvoření homogenní a stabilní perovskitové vrstvy, která je méně náchylná k degradaci a poskytuje vyšší účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii. Například použití přísad, jako je 4-tert-butylpyridin, v antisolventu, se ukázalo jako efektivní metodou pro zajištění dlouhodobé stability a vysoké účinnosti solárních článků.

Dalšími důležitými faktory jsou „pasivační“ přísady, které se používají k uzavření defektů na povrchu perovskitových krystalů. Defekty, zejména v rozhraní zrna, mohou být příčinou snížené efektivity solárních článků, protože slouží jako místa pro rekombinaci elektronů a děr, což vede k ztrátám energie. Pasivace těchto defektů pomocí různých molekul, jako jsou kyseliny nebo iontové kapaliny, může výrazně zlepšit výkon článků. Pasivace navíc zvyšuje stabilitu materiálů vůči vlhkosti, což je klíčovým faktorem pro prodloužení životnosti perovskitových solárních článků.

Při výběru přísad je důležité zvážit nejen jejich účinek na krystalizaci, ale i na teplotní stabilitu a odolnost proti degradaci pod vlivem UV záření. Příkladem mohou být přísady, které inhibují termální degradaci perovskitu, což přispívá k lepší stabilitě při vysokých teplotách a prodlužuje životnost článků i při neideálních podmínkách. Některé přísady mají schopnost „rozptýlit“ teplo v článku, což snižuje riziko vzniku „hotspots“ – oblastí s nadměrným zahříváním, které mohou vést k selhání zařízení.

Důležitým trendem v oblasti perovskitových solárních článků je rovněž vývoj technologií pro nanášení perovskitových vrstev na velké plochy, což je klíčové pro jejich komerční využití v solárních panelech. Pro tento účel je nutné používat přísady, které umožňují rychlé sušení inkoustu a zajišťují rovnoměrné pokrytí povrchu. To přispívá nejen k efektivitě výroby, ale i k dosažení vysoké účinnosti při aplikaci na komerčně dostupné panely.

Konečně je třeba si uvědomit, že každá přísada musí být pečlivě vybrána, aby neovlivnila negativně ekologickou stránku výroby solárních článků. V současnosti se hledají ekologicky šetrné možnosti, jak přidávat přísady, které by nejen zlepšovaly výkon a stabilitu, ale také byly snadno dostupné a měly minimální dopad na životní prostředí.

Jak překonat výzvy při výrobě perovskitových solárních článků na velkých plochách?

Perovskitové solární články (PSC) představují jednu z nejprogresivnějších technologií ve světě fotovoltaiky. Ačkoli dosáhly výjimečných výsledků na laboratorní úrovni, stále čelí významným výzvám při přechodu z malých vzorků na výrobu v průmyslovém měřítku. Klíčovou překážkou je především efektivní a nákladově dostupná produkce velkých perovskitových fólií s vysokou kvalitou a jednotností. V současnosti je při použití spin-coatingu v laboratořích vyplývá značné plýtvání roztokem, což zvyšuje náklady na výrobu. Tato nevýhoda je však pouze jedním z mnoha problémů, které je třeba vyřešit.

Významným problémem je optimalizace výrobního procesu perovskitových filmů v kontextu přechodu na tiskovou technologii a zajištění vysoké uniformity a kvalitního pokrytí na větších plochách. V laboratorních podmínkách je možné snadno řídit dynamiku krystalizace perovskitových filmů pomocí inkoustu na bázi precursoru, což umožňuje ovlivnit proces přechodu mezi jednotlivými fázemi. Tento proces je však mnohem složitější při výrobě na větší ploše, kde se krystalizační chování musí přizpůsobit podmínkám většího množství materiálu a rozmanitým faktorům.

Při vývoji nových metod pro výrobu perovskitových solárních článků je kladeno důraz na solventy, které mají specifické vlastnosti, jež umožňují kontrolu nad vznikem meziproduktových fází. Mezi důležité faktory, které ovlivňují výsledek, patří bod varu, volatilita, viskozita, polarita a povrchové napětí rozpouštědel. Solventy s nízkým bodem varu například umožňují rychlé odpařování, což vede k vytvoření hustých krystalických jader a efektivnějšímu potlačení vzniku rozpouštědlových meziproduktů. Tato technologie zajišťuje rychlejší krystalizaci a zjednodušuje proces přechodu mezi fázemi perovskitu, což je klíčové pro dosažení vysoké kvality solárního článku.

V oblasti výzkumu perovskitových solárních článků by měly být prioritou zejména solventy s nízkým bodem varu a nové, ekologické přístupy k jejich aplikaci. Cílem je dosáhnout co nejlepšího řízení procesu přechodných fází a krystalizace bez nutnosti dalšího žíhání materiálů. Další výzvou je poskytnout podmínky pro efektivní a stabilní růst perovskitových krystalů při použití různých solvatech, což má vliv na zajištění optimálního elektrického výkonu a dlouhodobé stability výsledných článků.

Přechod k větší výrobě perovskitových solárních článků bude vyžadovat nejen pokročilý výzkum v oblasti solventů, ale také detailní analýzu mechanismu vzniku a růstu krystalů na základě reálných in-situ měření, jako jsou rentgenová difrakce nebo spektrální analýzy. Důležité je také propojení různých experimentálních metod, které mohou přinést nová zjištění týkající se vlivu složení na kvalitu konečného produktu.

Významným směrem výzkumu by měla být rovněž snaha o snížení ekologického dopadu produkce perovskitových článků, přičemž se stále klade důraz na zajištění vysoké účinnosti a nízké náklady výroby. S postupem času se očekává, že se nové přístupy k výrobě a vývoji materiálů pro perovskitové solární články stanou konkurenceschopné vůči tradičním technologiím fotovoltaiky a umožní širší komercializaci těchto materiálů v globálním energetickém trhu.