Perovskitové solární články patří mezi největší hvězdy současné energetiky. Za necelých 15 let se jejich účinnost zvýšila z přibližně 10 % na více než 27 %, což je tempo, jaké se u nových fotovoltaických technologií vidí jen zřídka. Přestože samotné perovskity mají výjimečné vlastnosti, ukazuje se, že o skutečném výkonu zařízení často nerozhoduje samotný materiál, ale rozhraní mezi jednotlivými vrstvami článku.
Nedávno publikované review v časopise Chemical Reviews shrnuje současné poznatky o tom, jak tato rozhraní fungují a proč jsou pro budoucnost perovskitové fotovoltaiky tak důležitá.
Solární článek jako štafetový závod
Perovskitový solární článek není tvořen jedinou vrstvou. Kromě aktivní perovskitové vrstvy obsahuje i další materiály, jejichž úkolem je odvádět elektrony a kladné náboje (tzv. díry) ke kontaktům. Každé místo, kde se dva různé materiály setkají, tvoří rozhraní.
Dobrou analogií je štafetový běh. Nestačí mít rychlé běžce. Důležité je také hladké předávání kolíku. Pokud předávka nefunguje, tým ztrácí čas. U solárních článků představují takové ztráty právě problematická rozhraní.
Proč jsou perovskity výjimečné?
Perovskity jsou skupinou látek se společným typem krystalové struktury, kterou lze zapsat obecným vzorcem ABX3. Do této skupiny patří jak klasické oxidy, například CaTiO3, tak moderní halogenidové perovskity používané v solárních článcích.
Jejich chemické složení lze poměrně snadno měnit, což umožňuje „ladit“ vlastnosti materiálu podle potřeby. Lze například upravit barvu světla, které absorbují, nebo energetické vlastnosti důležité pro výrobu elektřiny.
Jednou z největších výhod perovskitů je jejich takzvaná „defektová tolerance“. Na rozdíl od mnoha jiných polovodičů jim menší množství krystalových vad příliš nevadí. Díky tomu mohou dosahovat vysoké účinnosti i při poměrně jednoduché výrobě.
Kde vznikají energetické ztráty?
Při dopadu světla se uvolňují v perovskitu elektrické náboje, elektron a díra. Aby článek fungoval, musí se efektivně oddělit a odvést k elektrodám. Pokud je energetické uspořádání mezi jednotlivými vrstvami nevhodné, vznikají bariéry, které pohyb nábojů zpomalují.
Dalším problémem je rekombinace. To je proces, kdy se elektron a díra znovu spojí dříve, než mohou vykonat užitečnou práci. Energie se pak místo výroby elektřiny ztrácí například ve formě tepla. Rozhraní patří mezi hlavní místa, kde k rekombinaci dochází.
Tajemství putujících iontů
Právě zde se perovskity odlišují od klasického křemíku.
V jejich struktuře se mohou pohybovat ionty, tedy elektricky nabité atomy nebo jejich skupiny. Působením světla či elektrického pole migrují uvnitř článku a mění jeho vnitřní elektrické pole.
Tento jev dlouho mátl výzkumníky, protože způsobuje známý problém perovskitových článků nazývaný hysterese. Zjednodušeně řečeno: článek může při opakovaném měření vykazovat mírně odlišné výsledky. Dnes panuje shoda, že hlavními „cestovateli“ jsou zejména halogenidové ionty a jejich vakance.
Na jednu stranu mohou migrující ionty zhoršovat stabilitu zařízení. Na druhou stranu někdy dokážou částečně potlačit některé ztrátové mechanismy. Právě tato dvojznačnost činí perovskity tak fascinujícími a zároveň složitými materiály.
Jak vědci rozhraní zkoumají?
Pochopit děje na rozhraní není jednoduché, protože probíhají v extrémně tenkých vrstvách o tloušťce několika nanometrů.
Výzkumníci proto používají pokročilé metody, například:
- ultrafialovou fotoelektronovou spektroskopii (UPS)
- rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS)
- AFM s Kelvinovou sondou
Tyto techniky umožňují sledovat energetické hladiny, elektrická pole i chemické změny na rozhraních. Review upozorňuje, že právě měření za reálného provozu budou pro další rozvoj oboru zásadní.
Jak lze rozhraní vylepšovat?
Výzkumníci vyvíjejí celou řadu strategií:
- Pasivace defektů – na povrch perovskitu se přidávají speciální molekuly, které „zacelují“ vady a snižují rekombinaci nábojů.
- Dipólové vrstvy – velmi tenké molekulární vrstvy mohou upravovat energetické uspořádání rozhraní a usnadňovat přenos nábojů.
- Dopování transportních vrstev – přidáním vhodných příměsí lze zvýšit elektrickou vodivost vrstev odvádějících náboje.
- Potlačení migrace iontů – pomocí vhodného chemického složení nebo dvourozměrných perovskitových vrstev lze zpomalit pohyb iontů a zvýšit stabilitu článků.
Možná budoucnost: solární článek bez některých vrstev
Jednou z nejzajímavějších myšlenek diskutovaných v review jsou takzvané CTL-free články (Charge Transport Layer Free), tedy články bez transportních vrstev náboje.
V běžných perovskitových článcích se používají speciální vrstvy pro transport elektronů a děr. Výzkumníci však ukazují, že díky výjimečným vlastnostem perovskitů by bylo možné některé z těchto vrstev odstranit a výrazně zjednodušit výrobu. Již dnes byly představeny CTL-free články s účinností přes 20 %.
Pokud by se tento koncept podařilo dále rozvinout, mohlo by to významně snížit výrobní náklady budoucích solárních panelů.
Závěr
Hlavní poselství review je překvapivě jednoduché: u perovskitových solárních článků nestačí mít skvělý materiál. Stejně důležité je pochopit, co se děje na rozhraních mezi jednotlivými vrstvami.
Právě zde vzniká většina energetických ztrát, zde probíhá migrace iontů a zde se rozhoduje o dlouhodobé stabilitě zařízení. Budoucnost perovskitové fotovoltaiky proto nebude záviset jen na objevu nových materiálů, ale také na schopnosti „zkrotit“ jejich rozhraní.
A pokud se to podaří, mohou se perovskity stát jednou z klíčových technologií čisté energetiky 21. století.