Jak pasivace ovlivňuje efektivitu a stabilitu perovskitových solárních článků?

V posledních letech se perovskitové solární články staly středem zájmu výzkumu v oblasti fotovoltaiky díky jejich vysoké účinnosti a potenciálu pro nízké výrobní náklady. Jedním z klíčových faktorů, které mohou rozhodnout o jejich komerčním využití, je stabilita těchto článků v dlouhodobém horizontu. Různé přístupy ke zlepšení této stability, včetně pasivačních ošetření, jsou v současnosti vysoce relevantní.

K dosažení vysoké účinnosti a stability je nezbytné zaměřit se na různé aspekty pasivace. Mezi nejvýznamnější techniky patří aplikace dvouvrstvých struktur, jako jsou 2D/3D heterojunkce, které umožňují efektivní pasivaci jak povrchových, tak i objemových defektů. Tato heterojunkční struktura může nejen zlepšit rozhraní mezi perovskitem a hole transportní vrstvou, ale také přispět k celkovému lepšímu přenosu náboje.

Dalšími slibnými přístupy jsou dopantové a aditivní techniky, které zahrnují použití speciálních ligandů nebo metalicko-organických rámců (MOF). Tyto materiály mohou výrazně zlepšit interakci mezi perovskitem a vrstvami kolem něj, čímž zvyšují stabilitu článků vůči vnějším vlivům, jako je vlhkost či vysoké teploty. Pomocí pasivace za pomoci aditiv, jako jsou například amonium soli nebo iontové kapaliny, se může snížit rekombinace nábojů a podpořit účinnost solárního článku.

Dalším důležitým faktorem je regulace povrchové chemie a morfologie perovskitu. Techniky jako in-situ tvorba 2D vrstvy perovskitu na povrchu 3D materiálů nebo použití molekulárních ligandů mohou výrazně přispět k omezení tvorby defektů na povrchu a zajištění lepší struktury pro efektivní přenos nábojů. Dále se ukazuje, že molekuly s více aktivními místy, které mohou pasivovat defekty na několika úrovních, mají výrazně lepší účinnost než jednosložkové pasivační materiály.

V rámci výzkumu jsou také testovány nové přístupy, jakým je použití 2D/3D heterostruktur nebo nové generace aditiv, které nejen že pasivují defekty, ale také umožňují lepší vyrovnání energetických hladin mezi jednotlivými vrstvami článku. To vede k lepší stabilitě a efektivitě fotovoltaických zařízení. Například pasivace defektů a zároveň zlepšení mobility děr je dosaženo za pomoci polymérů bez dopantů, což přispívá k lepší dlouhodobé stabilitě a větší účinnosti.

V oblasti stabilizace perovskitových solárních článků se stále více využívají i nové metody aplikace aditiv, které umožňují pasivaci všech iontů v materiálu. To zahrnuje nejen pasivaci defektů v objemu perovskitu, ale i zajištění stability všech iontů ve struktuře, což může vést k vyšší celkové účinnosti. Tato technika je schopná dosáhnout účinnosti článků vyšší než 23%, což je důležitým milníkem na cestě k praktickému využití perovskitových solárních článků v širším měřítku.

Je třeba vzít v úvahu, že efektivní pasivace vyžaduje pečlivý výběr materiálů a metod. Důležité je nejen dosažení vysoké účinnosti, ale také zajištění stability za různých podmínek, jako je vystavení UV záření, vlhkosti nebo teplotním výkyvům. Pasivace musí být přizpůsobena konkrétním potřebám aplikace, aby bylo dosaženo co nejlepšího výsledku v reálných podmínkách.

Jak inhibovat migraci iontů v halogenidových перовскитах pro zlepšení stability solárních článků?

V oblasti výzkumu perovskitových solárních článků se problematika migrace iontů stává klíčovým faktorem ovlivňujícím jejich stabilitu a výkon. Iontová migrace je totiž příčinou zhoršení výkonu a spolehlivosti těchto zařízení. Tento jev je zvláště výrazný v halogenidových perovskitech, kde se při vystavení elektrickému poli nebo osvětlování často pozoruje pohyb halogenidových aniontů, což vede k degradaci materiálu. Ačkoliv tento problém zůstává stále výzvou, různé přístupy k omezení migrace iontů slibují zlepšení stability a výkonnosti těchto materiálů.

Jedním z přístupů je modifikace perovskitových materiálů substitucí na B-sitě, například substitucí Pb2+ iontů v CsPbBr3 za Ag+ a Bi3+, což vede k tvorbě materiálu Cs2AgBiBr6. Výsledky teoretických výpočtů ukazují, že difúzní bariéra pro migraci vakancí bromu v Cs2AgBiBr6 je vyšší než v MAPbBr3, což indikuje obtížnější migraci iontů v tomto materiálu a tedy vyšší stabilitu. Tento výzkum naznačuje, že substituce iontů B-sitě může být účinným způsobem, jak omezit ionovou migraci pod vlivem osvětlování nebo elektrického pole.

Dalším přístupem k omezení migrace iontů je substituce na X-sitě, což se ukázalo jako efektivní u perovskitu MAPbBrxI3-x. Tento materiál vykazuje vyšší aktivaci energie pro migraci I− než MAPbI3, což znamená, že I− ionty jsou v této směsi perovskitu méně mobilní. Zároveň výpočty ukázaly, že energie potřebná k vytvoření vakancí jodidu v MAPbBrxI3-x je výrazně vyšší než v MAPbI3, což vede ke snížení hustoty trapů a zlepšení stability materiálu. Nicméně je třeba vzít v úvahu, že míchání halogenidů, zejména v případě bromu, může vést k fázové segregaci, což představuje další problém pro dlouhodobou stabilitu.

V posledních letech se ukazuje, že nízkorozměrné perovskity vykazují lepší stabilitu než tradiční 3D perovskity. To je způsobeno vyšší tvorbou energie pro defekty v nízkorozměrných perovskitech, což ztěžuje migraci iontů. Zajímavým příkladem je perovskit (BA)2(MA)3Pb4I13, kde byly zjištěny výrazně nižší hodnoty pro migrační energii iontů, což naznačuje, že ionty migrují mnohem obtížněji než v klasických 3D perovskitech. Tento efekt je navíc zesílen přítomností velkých amonných kationtů, které působí jako "spacer" ionty, jež nejenom brání pronikání vlhkosti, ale také zpomalují migraci intersticiálních iontů.

Vstup 2D perovskitů do oblasti výzkumu perovskitových solárních článků přinesl nový pohled na zlepšení jejich stability. Vysoká stabilita těchto materiálů umožňuje jejich efektivní začlenění do 3D perovskitových struktur, což vede k lepším vlastnostem článků. Příkladem je příprava filmu (PEA2PbI4)0.017(MAPbI3), který vykazuje nižší hysterézi při J-V charakteristikách a lepší stabilitu díky omezené migraci jodidových iontů.

Navzdory těmto pokrokům stále existuje problém fázové segregace při použití směsných halogenidových perovskitů. Tento jev může omezit stabilitu a výkon solárních článků, což je důvod, proč je důležité pokračovat ve výzkumu nových materiálů a metod jejich zlepšení.

Je rovněž zásadní pochopit, že i když substituce B-sitě, X-sitě nebo využívání nízkorozměrných perovskitů vykazují slibné výsledky, je třeba brát v úvahu komplexnost těchto materiálů, které mohou vykazovat různé chování v závislosti na konkrétních podmínkách a aplikacích. Konečný úspěch v oblasti perovskitových solárních článků závisí na schopnosti balancovat mezi zlepšením stability a dosažením vysoké účinnosti, a to i při zohlednění dlouhodobé spolehlivosti a ekonomické životnosti.

Jak přechod fází ovlivňuje výkon perovskitových solárních článků?

Degradace perovskitových filmů v přítomnosti nabitých iontů je složitý proces, který začíná na hranicích zrn materiálu. Tento jev byl podrobně studován v souvislosti s měřením rentgenové difrakce (XRD) a morfologií iontově nanášených filmů, přičemž bylo zjištěno, že degradační proces se rozvíjí v oblastech, kde se setkávají jednotlivé zrna. Výsledky získané pomocí mikroskopie povrchového potenciálu (KPFM) ukázaly, že rozložení povrchového potenciálu perovskitu je v souladu s jeho topologií, což naznačuje, že degradace souvisí s distribucí elektrických nábojů na povrchu materiálu. Tento jev je nejzřetelnější na povrchu MAPbI3, kde bylo prokázáno, že na nabitém povrchu dochází ke změnám v atomických pohybech, což vede k degradaci materiálu.

Na základě experimentů s molekulární dynamikou bylo potvrzeno, že degradace MAPbI3 ve vlhkém prostředí probíhá v několika fázích, kdy jsou identifikovány degradace vedoucí k tvorbě PbO a Pb(OH)2, což jsou známé produkty rozkladu perovskitu. Přítomnost hydroxylů na povrchu materiálu, vznikajících například reakcí s vodou, urychluje tento proces a vede k nevratné dekompozici materiálu. Degradace je závislá na typu iniciátorů, přičemž různé formy vody, jako jsou hydroxylové a hydroxidové ionty, mohou hrát klíčovou roli v urychlení rozkladu.

Vzhledem k těmto složitým procesům je přesné měření a detekce degradace perovskitových materiálů klíčové pro stanovení jejich dlouhodobé stability a životnosti. Pro zajištění spolehlivých výsledků je nezbytné používat pokročilé in-situ analytické techniky, které umožňují sledování změn v reálném čase. Takové techniky by měly být schopné detekovat nejen změny v krystalické struktuře, ale i produkty degradace, jako jsou plyny uvolňující se během procesu. To umožňuje lepší porozumění degradaci perovskitů a přispívá k vytvoření spolehlivých databází pro predikci dlouhověkosti těchto materiálů v reálných aplikacích.

Je také důležité si uvědomit, že přechod fází perovskitového materiálu má zásadní vliv na jeho výkon. Efektivita perovskitových solárních článků (PSCs) byla v posledních letech značně zvýšena, ale stále existují výzvy spojené s kontrolou fázových přechodů, které mohou ovlivnit stabilitu a výkonnost těchto článků. Fázové přechody perovskitů, například mezi kubickou a ortorombickou fází, mají přímý vliv na šířku zakázaného pásu materiálu, což ovlivňuje účinnost konverze světla. Vysoká stabilita perovskitových článků je klíčová pro jejich komercializaci, a proto se intenzivně zkoumá vliv různých přídavných látek a pasivačních technologií na stabilitu těchto materiálů. K dosažení co nejvyšší účinnosti perovskitových solárních článků je nutné pečlivě kontrolovat proces přechodu mezi těmito fázemi, což může vést k lepší krystalizaci a stabilnějšímu chování materiálu během provozu.

Přítomnost hystereze při měření I-V křivek v perovskitových solárních článcích je dalším významným problémem, který ovlivňuje přesnost stanovení účinnosti těchto článků. Tento jev, známý jako J-V hystereze, může být způsoben jak vnějšími, tak vnitřními faktory a výrazně ovlivňuje stabilitu a životnost perovskitových zařízení. I přes vynikající výkony perovskitových solárních článků je nezbytné vyřešit tento problém pro jejich komerční využití.

Jak tlak ovlivňuje fázové přechody a vlastnosti halogenidových perovskitů

Studium organohlinitých i anorganických halogenidových perovskitů, zejména těch obsahujících olovo a cín, odhaluje komplexní vztahy mezi strukturálními fázovými přechody a jejich elektronicko-optickými vlastnostmi. Pod vlivem vysokého tlaku dochází k výrazným změnám krystalové struktury, které modifikují nejen energetické pásmo, ale i dynamiku nosičů náboje a fotoluminiscenční chování. Například perovskity na bázi methylamonia a formamidinia vykazují tlakem indukované fázové přechody mezi tetragonálními, ortorombickými a rhomboedrickými modifikacemi, což zásadně ovlivňuje jejich fotovoltaický výkon a stabilitu.

Tlakem řízené přechody často vedou k přechodným či trvalým změnám symetrie, což má dopad na inkluzi či segregaci dopantů a heterogenní fáze v materiálu. Tento jev je klíčový pro pochopení degradace směsných halogenidových perovskitů, kde například segregace bromidu a jodidu v organoleadových směsích snižuje účinnost a stabilitu solárních článků. Vysokotlaké experimenty také odhalují mechanismy amorfizace a posunu absorpčního okraje, které jsou relevantní pro aplikace v solární energetice a optoelektronice.

Velikost nanokrystalů a jejich rozměrové omezení dále ovlivňují stabilitu fázových modifikací a přechody mezi nimi. Snižování velikosti částic mění termodynamickou rovnováhu a může stabilizovat fázové varianty, které by za běžných podmínek nebyly přítomny. To je důležité nejen pro návrh nanostruktur s požadovanými optickými vlastnostmi, ale také pro pochopení velikostně závislých fotovoltaických a fotoluminiscenčních jevů.

Interakce s prostředím, zejména vlhkostí a teplotou, dále komplexně ovlivňuje stabilitu perovskitových vrstev. Voda může způsobit reverzibilní hydrataci, která sice krátkodobě stabilizuje strukturu, avšak dlouhodobě vede k degradaci materiálu. Zvláštní pozornost si zaslouží role mezifázových rozhraní, která výrazně ovlivňují rekombinační procesy a tím i účinnost zařízení. V tomto kontextu je klíčová kontrola mikrostruktury a řízení pnutí ve vrstvách, protože mechanické napětí může indukovat vznik ferroelectricity či domainových struktur, které modifikují transport náboje.

Pokroky v řízení krystalizace perovskitů umožňují vytvářet materiály s přesně definovanými fázovými přechody, které jsou stabilní za provozních podmínek. Výzkum směsných kationtů a halogenidových složení ukazuje, že optimalizace složení vede nejen ke zvýšení fotovoltaické účinnosti, ale i ke zlepšení odolnosti vůči degradaci světlem, teplem a vlhkostí. Moderní metody syntézy a modifikace povrchů perovskitových vrstev přinášejí materiály s vysokou stabilitou i při nízkých intenzitách osvětlení či při přítomnosti vzdušné vlhkosti.

Jak solventní inženýrství ovlivňuje efektivitu perovskitových solárních článků?

Solventní inženýrství se v posledních letech stalo klíčovým nástrojem pro zlepšení výkonu a stability perovskitových solárních článků (PSC). Tento přístup zahrnuje nejen volbu vhodných rozpouštědel pro přípravu precursorových roztoků, ale i techniky aplikace, jako je antisolventní kapání, které hrají rozhodující roli v získání kvalitních perovskitových tenkých vrstev. Výběr a manipulace s rozpouštědly a přísadami umožňuje optimalizaci morfologie filmů, což se přímo odráží na účinnosti článků.

Jedním z nejdůležitějších faktorů pro dosažení vysoké účinnosti PSC je správný výběr precursorového roztoku. Tradiční roztoky často vyžadují složité a časově náročné procesy k vytvoření dobře uspořádané krystalové mřížky, což vede k vysoké koncentraci defektů. Novější přístupy, jako je použití neionických inkoustů pro perovskity, umožňují jednorázovou depozici kvalitní perovskitové tenké vrstvy bez nutnosti použití antisolventní úpravy. Takový inkoust [MA(MMA)nPbI3] umožňuje snadné vytváření perovskitových krystalů s orientací podél směru (110), což výrazně zlepšuje difúzní délku nosičů náboje na úroveň 4,6 mikrometrů. Tato technologie nejenže přináší rekordní hodnoty účinnosti (PCE) až 21,8%, ale také vykazuje vynikající stabilitu ve vlhkém prostředí, což je kritické pro komerční aplikace.

Významný pokrok ve výrobě velkoplošných perovskitových modulů byl dosažen díky aplikaci ACN/2-ME/DMSO solventního systému, který umožňuje výrobu perovskitových filmů při pokojové teplotě a na velkých plochách. Takto vyrobené moduly vykazují stabilizovanou PCE 16,4% a vynikající odolnost vůči teplotním změnám a stínění, což je činí konkurenceschopnými vůči tradičním technologiím na bázi křemíku, CdTe a CIGS. Tento přístup ukazuje, že solventní inženýrství může podpořit rozvoj perovskitových solárních článků pro masovou výrobu.

Kromě výběru solventu a jeho směsí, významným faktorem pro zajištění kvalitních filmů je také technika aplikace. Například použití antisolventního kapání, kdy se do mokré vrstvy perovskitu přidává chlorbenzen nebo toluen, může výrazně ovlivnit morfologii a vlastnosti výsledného filmu. Tento proces podporuje rychlou nucleaci a růst krystalů, což vede k rovnoměrnějším a lepším perovskitovým filmům. Studie ukazují, že použití toluenu může eliminovat přebytečné ionty MA a halogenidy na povrchu filmu, což vede ke zlepšení elektrických vlastností a zvýšení vodivosti perovskitových vrstev.

Navíc použití toluenu může zlepšit dynamiku krystalizace v počáteční fázi, kde je ovlivněna konkurence mezi nucleací MAPbI3 a MAPbCl3, což může hrát zásadní roli v optimalizaci finální morfologie filmu a výkonu solárních článků. Díky těmto technikám lze dosáhnout nejen lepší struktury filmů, ale i zajištění kvalitního kontaktu mezi perovskitovým filmem a substrátem, což je nezbytné pro dosažení vysoké účinnosti.

Je nezbytné si uvědomit, že optimalizace solventního inženýrství je procesem vyžadujícím pečlivý výběr a kombinaci materiálů, stejně jako správné nastavení aplikačních technik. I když novější metody umožňují dosáhnout vysoké účinnosti a stability, stále existuje prostor pro další zlepšení, zejména pokud jde o dlouhodobou stabilitu perovskitových solárních článků ve vlhkých a extrémních podmínkách. Jak ukazují aktuální výzkumy, kombinace solventů a nových inkoustů představuje nadějný směr pro optimalizaci perovskitových technologií a jejich integraci do komerčně životaschopných produktů.