Ramanova spektroskopie je jednou z nejpreciznějších metod pro měření mřížkových vibrací materiálů, které jsou klíčové pro charakterizaci napětí v perovskitových vrstvách. Tento proces je založen na jevu Ramanova rozptylu, kdy se část světla, jež narazí na materiál, rozptýlí s rozdílem frekvence nebo vlnového čísla oproti původnímu světlu. Tento rozptyl je spojen s přechody mezi rotačními a vibračními energetickými hladinami molekul. V případě perovskitových materiálů, které jsou často základem solárních článků, je důležité sledovat, jak změny v napětí ovlivňují jejich vlastnosti. Když je materiál vystaven stresu, dochází k změnám v jeho mřížkové struktuře, což vede k posunu v Ramanových frekvencích. Tento posun, známý jako relativní Ramanův posun, může být použit k výpočtu vnitřního napětí v krystalu.

Příkladem použití Ramanovy spektroskopie pro studium napětí může být výzkum Xu et al., kteří zkoumali strukturální změny v perovskitu typu α\alpha-FAPbI3 při různých úrovních napětí. Při napětí -2.4% se hlavní Ramanový vrchol, pozorovaný na hodnotě 136 cm-1, rozdělil na dva vrcholy: hlavní vrchol na 140 cm-1 a vedlejší vrchol na 133 cm-1. Tento jev je interpretován jako výsledek komprese Pb-I vazeb v rovině, což způsobuje modrý posun hlavního vrcholu, a zároveň natažení Pb-I vazeb mimo rovinu, což vede k červenému posunu vedlejšího vrcholu.

Kromě kvalitativního zkoumání napětí, Ramanova spektroskopie umožňuje také kvantitativní měření. Pomocí kalibrační křivky, která zobrazuje závislost mezi změnami frekvence vibrací a napětím, lze vypočítat přesné hodnoty napětí v jednotlivých vrstvách. To může být užitečné při vývoji nových perovskitových materiálů pro solární články, kde je kontrola napětí klíčová pro zajištění jejich dlouhověkosti a účinnosti.

Pro analýzu napětí v perovskitových vrstvách se však neomezuje jen na Ramanovu spektroskopii. Pro zajištění vysoké prostorové rozlišovací schopnosti je nezbytné použít techniku s vysokým rozlišením, jako je transmisní elektronová mikroskopie (TEM). TEM poskytuje detailní pohled na krystalovou strukturu, složení a defekty materiálů na nanometrické úrovni. Tento přístup je zvláště užitečný pro studium mřížkových napětí na velmi malých měřítkách. Techniky, jako jsou konvergentní paprsek elektronové difrakce (CBED), vysokorozlišující transmisní elektronová mikroskopie (HRTEM) a nano paprsek elektronové difrakce (NBED), umožňují získat kvantitativní údaje o napětí v materiálu.

Například CBED je jediná technika v rámci TEM, která umožňuje kvantitativní analýzu napětí na nanometrové úrovni. Pomocí analýzy posunů v difrakčních vzorcích lze určit napěťový tensor, což je klíčové pro pochopení deformací a napětí v perovskitových vrstvách. Nicméně, tato metoda vyžaduje správné orientování vzorku v rámci vysoce-řádového osového směru, aby bylo dosaženo dostatečného rozptylu a následně přesného měření napětí.

Další metodou je HRTEM, která využívá fázového kontrastu k získání obrazů s vysokým rozlišením. Tento přístup umožňuje studium mřížkových struktur a deformací na atomové úrovni, což je nezbytné pro porozumění tomu, jak napětí ovlivňuje mikroskopické vlastnosti materiálu. HRTEM se používá pro měření prostorových změn mezi mřížkovými vrstvami, což je klíčové pro analýzu napětí v perovskitových vrstvách.

Je také důležité vzít v úvahu, že různé techniky TEM mají svá omezení a jejich přesnost může být ovlivněna například ohybem atomárních sloupců nebo rozptylem v jiných oblastech vzorku. Tato citlivost na malá geometrická zkreslení může ovlivnit interpretaci výsledků, což je faktor, který musí výzkumníci pečlivě zohlednit při analýze napětí v perovskitových vrstvách.

Pro komplexní porozumění tomu, jak napětí ovlivňuje vlastnosti perovskitových materiálů, je kladeno důraz na kombinaci těchto metod, jako je Ramanova spektroskopie a TEM. Tato interdisciplinární přístupnost mezi mikroskopickými technikami a materiálovými vědami je nezbytná pro optimalizaci vlastností perovskitových solárních článků a dalších aplikací.

Jak eliminovat hysterezi v perovskitových solárních článcích a optimalizovat jejich výkon

Perovskitové solární články (PSC) představují jednu z nejvíce slibných technologií pro výrobu fotovoltaických článků, zejména díky jejich snadné zpracovatelnosti a vysoké účinnosti. V posledním desetiletí došlo k dramatickému pokroku v jejich vývoji, kdy certifikovaná účinnost přeměny energie (PCE) překonala 25 %, což je velmi blízko hodnotám dosahovaným u křemíkových solárních článků (26,7 %). Tato technologie však čelí několika výzvám, mezi které patří potlačení rekombinace nositelů náboje, optimalizace mezivrstvových materiálů a zlepšení stability zařízení.

Jedním z klíčových problémů, který ovlivňuje výkon perovskitových solárních článků, je chování hysteréze při měření charakteristiky proud-napětí (J-V). Eliminace hysteréze představuje efektivní strategii pro zlepšení výkonu PSC, protože minimální hysteréze je u vysoce efektivních solárních článků obvykle pozorována. Celkové pochopení tohoto jevu je nezbytné pro minimalizaci jeho negativních účinků na výkon solárních článků.

Chování J-V je běžně používáno k určení účinnosti solárních článků, nicméně křivky J-V u perovskitových solárních článků vykazují silnou závislost na podmínkách skenování, jako jsou směry a rychlosti skenování. Tento jev je znám jako hysteréze J-V a představuje velkou výzvu při určování přesné účinnosti PSC. V roce 2014 Snaith et al. poprvé upozornili na tento anomální jev, což vedlo k intenzivnímu výzkumu zaměřenému na pochopení podstaty hysteréze. Studie se zaměřily na různé faktory, jako je ferroelektricita, akumulace náboje na rozhraní, migrace iontů a další.

Hystereze v perovskitových solárních článcích lze klasifikovat do několika typů. Křivky J-V jsou obvykle získávány měřením hustoty proudu při změně aplikovaného napětí. Přední skenování J-V se pohybuje od záporného napětí přes podmínky zkratu (0 V) až k otevřenému napětí (VOC), zatímco reverzní skenování probíhá od pozitivního napětí zpět k zápornému napětí. Vzhledem k přítomnosti hysteréze v PSC existuje nesoulad mezi křivkami J-V při předním a reverzním skenování, což může vést k různým typům hysteréze: normální, bezhysterézní a inverzní.

Normální hysteréze je charakterizována tím, že fotovoltaický výkon, jako je PCE a fotoprůchod, je při reverzním skenování lepší než při skenování předním. Většina studií o PSC vykazuje tento typ hysteréze. Bezhysterézní chování se dosahuje optimálním nastavením podmínek skenování, kdy je rozdíl mezi křivkami minimální. Inverzní hysteréze je naopak charakterizována tím, že výkon při předním skenování je lepší než při reverzním.

Hystereze se také hodnotí pomocí indexu hystereze (HI), což je veličina, která vyjadřuje rozdíl mezi křivkami J-V při předním a reverzním skenování. HI byl poprvé definován Sanchezem et al. a používá se k objektivnímu vyhodnocení závažnosti hysteréze v perovskitových solárních článcích. Hodnota HI blízká nule označuje ideální, bezhysterézní chování, zatímco vysoké hodnoty HI naznačují přítomnost výrazné hysteréze, která negativně ovlivňuje účinnost článku.

Chování hysteréze může být způsobeno několika faktory, mezi které patří migrující ionty, elektrostatické efekty a materiálové inhomogenity na povrchu perovskitového filmu. Důležité je, že samotná hystereze není vždy negativní – v některých případech může mít dokonce pozitivní vliv na stabilitu článků. Nicméně, pro dosažení optimálního výkonu je nezbytné pochopit a minimalizovat tento jev.

Kromě samotného zlepšení charakteristiky hysteréze je také kladeno důraz na stabilitu těchto solárních článků v dlouhodobém horizontu. Významným krokem k dosažení dlouhodobé stability je aplikace různých passivačních vrstev a optimalizace mezivrstevových materiálů, které zabraňují degradaci a zajišťují spolehlivost a dlouhou životnost perovskitových solárních článků.

Pro optimální stabilitu a výkon perovskitových solárních článků je tedy nezbytné nejen minimalizovat hysterézi, ale také zlepšit materiálové a konstrukční vlastnosti celého zařízení, přičemž každé zlepšení v jedné oblasti by mělo být kompenzováno odpovídajícím zlepšením v oblasti stabilizace materiálů.

Jak defekty v perovskitových solárních článcích ovlivňují jejich účinnost?

Nežádoucí rekombinace nosičů náboje způsobená hlubokými defekty, které fungují jako pasti pro nosiče, je jedním z klíčových faktorů, který negativně ovlivňuje účinnost perovskitových solárních článků. Tento proces je podrobně zobrazen na obrázku 6.1a. Pasti v materiálu, zejména ty, které se nacházejí v blízkosti středu zakázané oblasti (bandgap), mohou vytvářet energetické bariéry, které jsou mnohem větší než tepelná energie (k_B T), což způsobuje, že elektrony a díry zachycené v těchto stavech čelí vysokým energetickým překážkám pro návrat zpět do vodivostní pásma. Takové přechody jsou vysoce nepravděpodobné, což vedle toho zvyšuje pravděpodobnost nenávodné rekombinace mezi těmito zachycenými nosiči. Tento jev je nechtěný, neboť omezuje délku difuze nosičů (L_D), což má přímý vliv na efektivitu sběru náboje.

Délka difuze, která by měla být větší než tloušťka perovskitové vrstvy, je důležitá pro zajištění efektivního sběru náboje ve fotovoltaických zařízeních. Délka difuze je přímo závislá na mobilitě nosičů náboje (μ) a jejich životnosti (τ). Pro materiál MAPbI3 se délka difuze pohybuje v rozmezí od několika set nanometrů až po mikrometry, což je nezbytné pro konstrukci vysoce účinných solárních článků. Největší vliv na zhoršení sběru náboje mají hluboké pasti, které podporují nenávodnou rekombinaci. Mělké pasti na druhé straně primárně ovlivňují mobilitu a zpomalují proces extrakce náboje, což může omezit dosažitelnou maximální hustotu proudu.

Perovskitová struktura MAPbI3 vykazuje dvanáct různých nativních bodových defektů, mezi které patří vakance (V_MA, V_Pb, V_I), intersticiály (MA_i, Pb_i, I_i) a anti-site obsazení (MAPb, MAI, PbMA, PbI, IMA, IPb). Tyto defekty byly rozsáhle studovány a obecně se souhlasí s tím, že vysoceenergetické defekty přispívají k vytváření hlubokých stavů v zakázané oblasti, zatímco nízkoenergetické defekty vytvářejí mělké stavy. Defekty na hlubokých úrovních obvykle nevedou k vysoké hustotě rekombinačních center, ale existují různé názory na to, které konkrétní defekty jsou odpovědné za vytvoření těchto hlubokých stavů, včetně defektů IPb, IMA, Pbi, PbI, VI a PbMA.

Naopak mělké defekty, jako jsou akceptory (V_Pb, V_MA, MAPb, I_i), mohou pod určitými podmínkami růstu způsobit nízké formation energies, což vede k možnosti intrinzikálního dopingu, což může přeměnit MAPbI3 z p-typu na n-typ. Tyto mělké defekty se mohou pod vlivem elektrického pole migrovat a způsobit nežádoucí dopingové efekty, což může ovlivnit výkon zařízení. Taková migrace, zejména na hranicích zrn, je jedním z hlavních problémů, který vyžaduje strategii pasivace rozšířených defektů.

Způsob výroby perovskitových solárních článků má zásadní vliv na typ a koncentraci defektů. Procesy jako změna prekurzorů, tepelné žíhání a začlenění izovalentních iontů jsou některé z metod, které umožňují regulovat tvorbu defektů. Pasivační techniky jsou nezbytné pro odstranění těchto defektů a zajištění dlouhodobé stability solárních článků. Složitost charakterizace defektů je dalším důležitým faktorem, který ovlivňuje vývoj technologií pro jejich řízení. Použití povrchově citlivých technik, jako je skenovací tunelová mikroskopie, se ukazuje jako složité u polykrystalických perovskitových filmů. Nicméně měření náboje defektů lze provádět pomocí molekul, které interagují s těmito defekty. Tato komplexnost defektů a jejich vliv na výkon solárních článků poskytují cenné informace pro vývoj nových metod pasivace a řízení defektů v perovskitových materiálech.

V konečném důsledku je klíčovým faktorem pro vývoj perovskitových solárních článků nejen identifikace a pochopení těchto defektů, ale také vývoj nových, efektivních metod pro jejich eliminaci a pasivaci. K dosažení vysoké účinnosti je nutné nejen snížit počet defektů, ale také najít způsob, jak minimalizovat jejich vliv na mobilitu nosičů a stabilitu zařízení. Bez efektivního řízení defektů zůstává dosažení dlouhodobé stabilní účinnosti solárních článků výzvou.

Jak umělá inteligence pomáhá v diagnostice chronických onemocnění ledvin?
Jakým způsobem moderní politika ohrožuje důvěru v média?
Jak politické diskurzy ovlivnily vnímání mezery ve výkonu ve školách?
Jak zlepšit piezoelektrické vlastnosti ZnO nanostruktur?
Jak správně nakonfigurovat parametry a logování v ROS2 pro efektivní správu uzlů?
Jak se vyrovnat s nečekanými změnami v životě?