Jak řízení napětí ovlivňuje stabilitu a výkon perovskitových solárních článků?

Perovskity se staly jedním z nejperspektivnějších materiálů pro fotovoltaické aplikace díky svým výjimečným vlastnostem, jako je nastavitelné zakřivení pásu, vynikající mobilita nosičů náboje, efektivní absorpce světla a nízkonákladové zpracování pomocí roztoků. Účinnost přeměny energie (PCE) perovskitových solárních článků (PSC) vzrostla z 3,8 % na 26,1 %, což již odpovídá tradičním monokrystalickým křemíkovým článkům. I přes tento pokrok však stále zůstává stabilita perovskitových solárních článků velkou výzvou pro jejich komercializaci.

Tato nestabilita je způsobena inherentními vlastnostmi halogenidových perovskitů, které jsou náchylné k fázovým přechodům a degradaci, zejména pod vlivem vnějších faktorů, jako je světlo, teplo, vlhkost a kyslík. Měkká iontová povaha perovskitů vede k tvorbě reziduálního napětí v perovskitové vrstvě, což způsobuje vznik vnitřních defektů a fázové segregace. Tyto změny přímo ovlivňují stabilitu a fotovoltaické vlastnosti PSC, což činí pochopení vzorců a vlivů napětí v perovskitu nezbytným pro vývoj účinných strategií pro řízení napětí.

Reziduální napětí v perovskitu je definováno jako deformace mřížky, která vzniká v důsledku vnitřních nebo vnějších sil. Může být rozděleno na napětí tažné a kompresní. Tažné napětí oslabuje chemické vazby, zvyšuje počet defektů, snižuje energetické bariéry pro migraci iontů, zvyšuje nenarativní rekombinaci a urychluje chemickou degradaci a praskání pod vlivem světla, tepla a vlhkosti. Naopak mírné kompresní napětí může rozšířit spektrum absorpce, optimalizovat zarovnání energetických hladin, prodloužit životnost nosičů náboje a zlepšit fotovoltaický výkon.

K řešení inherentní instability způsobené tažným napětím je klíčovým problémem pro dosažení efektivních a stabilních PSC. Různé strategie byly zkoumány, například iontové dopingy, které regulují náklony oktaedrů v perovskitové mřížce a tím zmírňují vznik reziduálního napětí a zvyšují stabilitu. Využití vnějších podnětů, které umožňují kontrolovat napětí v perovskitových vrstvách, představuje další možnost pro zlepšení výkonu a stability.

Studie týkající se řízení napětí v perovskitových solárních článcích ukázaly, že regulace napětí může mít zásadní vliv na zlepšení fotovoltaických vlastností. Například se prokázalo, že optimální výběr aditiv a jejich aplikace na grain boundaries může výrazně zvýšit stabilitu a účinnost článků. Pokroky v oblasti selektivní pasivace defektů na hranicích zrn a v rozhraní s elektrickými kontakty jsou rovněž důležité pro zajištění dlouhodobé stability. U perovskitových solárních článků je nezbytné zaměřit se na komplexní optimalizaci nejen na mikrostrukturu materiálu, ale i na dynamiku napětí v celém článku.

Současné výzkumy ukazují na důležitost zlepšení interakce mezi perovskitovým materiálem a kovovými kontakty. Možnost využití organických polovodičů a dalších modulačních technik pro zlepšení rozhraní mezi jednotlivými vrstvami perovskitového solárního článku je zásadní pro dosažení požadovaného výkonu a stability. Je nutné si uvědomit, že každý jednotlivý faktor ovlivňující napětí, jako je složení perovskitu nebo použité aditiva, musí být pečlivě zkoumán v kontextu jeho vlivu na celkový výkon článku.

K dosažení dlouhodobé stability perovskitových solárních článků je třeba přistupovat k problematice napětí a defektů komplexně. Důkladné porozumění interakcím mezi napětím, mikrostrukturou materiálu a externími faktory umožňuje navrhovat nové strategie pro zlepšení výkonu a stability těchto článků. Významně to přispívá k rozvoji fotovoltaiky založené na perovskitech, což by mohlo vést k většímu rozšíření těchto materiálů v komerčních aplikacích.

Jaký vliv mají fáze a struktura perovskitů na jejich optoelektronické vlastnosti a stabilitu?

Perovskitové materiály na bázi organických kationtů, jako je MAPbI3, jsou v současnosti jedním z nejzajímavějších materiálů pro fotovoltaické aplikace, díky svým vynikajícím optoelektronickým vlastnostem. Jejich struktura je citlivá na vnější podmínky, což zahrnuje teplotu, tlak a vlhkost, což má zásadní vliv na jejich výkonnost a stabilitu. Významným faktorem, který ovlivňuje elektrické a optické vlastnosti těchto materiálů, je přechod mezi různými fázemi krystalové struktury při změně vnějších podmínek.

Krystalová struktura MAPbI3 při pokojové teplotě a tlaku je tetragonální, přičemž se vyskytuje v prostoru I4/mcm. Při tlaku nad 0,3 GPa se tato struktura mění na ortorombickou fázi s prostorovou skupinou Imm2. Dále bylo prokázáno, že při tlaku nad 10 GPa dochází k amorfizaci tohoto materiálu, což naznačuje vysokou citlivost struktury na tlak. Pro MAPbBr3 byla nalezena kubická struktura při pokojovém tlaku (Pm3̅m), která se při tlaku 1,7 GPa mění na jinou kubickou fázi s prostorovou skupinou Im3̅.

FAPbI3, na druhé straně, vykazuje stabilitu v hexagonální fázi při pokojové teplotě s zakázaným pásmem 2,43 eV, ale při zahřátí nad 150°C se mění na kubickou perovskitovou fázi. Tento přechod je reverzibilní a hexagonální fáze se vrací při ochlazení na pokojovou teplotu. Tento materiál vykazuje nižší zakázané pásmo (1,48 eV) ve srovnání s MAPbI3, což je výhodné pro absorpci světla. Dále, životnost nábojových nositelů v FAPbI3 je vyšší než u MAPbI3, což naznačuje lepší stabilitu materiálu pro dlouhodobé použití v solárních článcích. Avšak nízká stabilita fáze FAPbI3 v přítomnosti vlhkosti je omezením pro jeho širší aplikaci, neboť vlhkost urychluje přechod zpět na hexagonální fázi.

Naopak CsPbI3, perovskit s kationtem Cs, vykazuje silnou chemickou vazbu mezi Cs kationtem a perovskitovou mřížkou. Tento materiál je stabilní při vysokých teplotách, kdy se změní z ortorombické fáze na kubickou fázi při teplotách nad 300°C. Ovšem i zde platí, že stabilita kubické fáze za normálních podmínek je nízká a materiál se rychle vrací k ortorombické fázi. Tento problém je možné částečně vyřešit přidáváním aditiv, jako je jodovodíková kyselina, která zlepšuje stabilitu kubické fáze při nižších teplotách (přibližně 100°C). Tento přístup vedl k dosažení stabilních CsPbI3 kvantových teček s účinností přes 13 %.

Endtext