V minulé části jsme si nastínili, co to vlastně fotovoltaika je a jak fungují fotovoltaické články. Narazili jsme u toho na jeden fyzikální limit, a to teoretickou hranici účinnosti přeměny sluneční energie na energii elektrickou, která se například pro křemíkové články pohybuje mírně nad 30 %. Co si budeme nalhávat, vzhledem k tomu, že v praxi se dosahuje účinností ještě nižších (dochází totiž k energetickým ztrátám), celé fotovoltaice tento fakt docela ubírá na kráse. Nedalo by se s tím přeci jen něco dělat? Odpověď by nám mohly dát perovskity. Křemíkovým fotovoltaickým článkům totiž trvalo asi 60 let, než se u nich docílilo účinnosti 25 %, perovskitovým fotovoltaickým článkům na to stačilo něco málo přes 10 let.
Co to tedy ty podivně znějící perovskity jsou? Jedná se o poměrně širokou skupinu sloučenin odvozených od minerálu perovskitu (chemicky se jedná o oxid titaničito-vápenatý, CaTiO3). Tento minerál byl poprvé objeven a popsán německým mineralogem Gustavem Rosem v roce 1839 během jeho cesty pohořím Ural. Pojmenoval jej po ruském mineralogovi, diplomatovi Lvu Perovském (ten dokonce svého času působil jako ministr vnitra na dvoře cara Mikuláše I.) Obecný vzorec této skupiny látek je ABX3, kde A, B představují kationty (kladně nabité ionty), X představuje aniont (záporně nabitý iont).
Minerál perovskit krystalizující v kosočtverečné krystalové soustavě.
Dopováním struktury perovskitu jinými prvky lze docílit odlišných fyzikálně-chemických vlastností. To je způsobeno částečnou deformací krystalové mřížky, ke které vlivem dopování dochází. Perovskity se tedy uplatňují v poměrně širokém spektru odvětví-využít se kupříkladu dají jejich piezoelektrické vlastnosti (piezokeramické součástky na bázi PbZrO3), katalytické vlastnosti (LaSrMnNiO3 se zkoumá jako katalyzátor redukce oxidu dusného při výrobě kyseliny dusičné), zkoumají se i na poli termicky stabilních pigmentů. Hlavní pozornost na sebe ale strhávají v posledních letech tzv. halogenidové perovskity, a to právě v souvislosti s fotovoltaickými články.
Obecným vzorcem této skupiny perovskitů je analogicky AMX3, kde A tentokráte představuje nejčastěji methylamoniový iont (CH3NH3+), M představuje kovový kation (Pb2+, Sn2+), X náleží halogenidovému aniontu (Br–, I–). Jedním ze zástupců této skupiny látek je methylamonium jodid olovnatý (CH3NH3PbI3). Ten je intenzívně zkoumán v souvislosti s tzv. tandemovými solárními články- ty mají větší účinnost přeměny světla na elektrickou energii, a to při zachování relativně nízké výrobní ceny (dle posledních výzkumů se hranice účinnosti pohybuje až kolem 30 %). V nových tandemových solárních článcích je na krystalickém křemíku nanešena vrstva perovskitu. Důvtip tkví ve „spolupráci“ těchto vrstev. Perovskit totiž absorbuje viditelné fotony o vyšší energii, kdežto křemík absorbuje fotony o nižší energii (spíše ty z infračervené oblasti elektromagnetického záření). Ukazuje se, že absorpce částí spektra slunečního záření ve více vrstvách se zdá být účinnější, než snaha o vytvoření jediné vrstvy zachycující celé spektrum sama (Lal N., N. et al., 2017).
Krystalová struktura halogenidových perovskitů
V čem dalším tkví výhoda těchto perovskitů? To, co mimo jiné negativně ovlivňuje účinnost fotovoltaického článku, jsou defekty v krystalové mřížce polovodiče. I proto je nutné v případě křemíkových fotovoltaických článků, ale např. i těch z germania a dalších, připravit téměř ideální monokrystal, což je ale velice energeticky náročné. Oproti tomu příprava perovskitů je poměrně jednoduchá. Halogenidové perovskity jsou připravovány za relativně nízkých teplot (60-90 °C), což je výhodné právě s ohledem na energetické náklady. Jednodušší příprava je spojena s faktem, že se u těchto materiálů vyskytují ve větší míře defekty, jejichž koncentrace je dokonce o několik řádů vyšší, než u monokrystalů. Přesto prozatím měření prozrazují, že defekty v tomto případě ničemu významně neškodí. Další obrovskou výhodou je to, že perovskity stačí nanést většinou ve vrstvě o velikosti necelého mikrometru, což představuje např. ve srovnání s křemíkem výrazné šetření materiálu. I zde se ale dostáváme k pár nevýhodám-hlavní z nich je doposud nevyřešená otázka stability halogenidových perovskitů. Vzdušná vlhkost je zkrátka nepřítelem, kvůli němuž tyto materiály degradují. Nicméně i zde probíhá intenzívní výzkum, kde se studují různé polymerní materiály, které by degradaci mohly zabránit. Další nepříjemností je (přestože minimální) obsah problematických prvků, jako je například olovo-hlavně z legislativního hlediska to představuje problém při vyřazování takových panelů z provozu (recyklaci). I zde se zkoumá možnost využití jiných, ekologicky méně zatěžujících prvků (Park, N.G., 2015).
Osobně si myslím, že perovskity obecně představují skupinu látek, kterou se určitě vyplatí se zabývat (já jsem se jim věnovala na vysoké škole). Jejich rozmanité fyzikálně-chemické vlastnosti mají velký potenciál pozitivně se projevovat v mnohých odvětvích vědy a průmyslu.
Zdroje:
Park, N. G. (2015). Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials today, 18(2), 65-72.
Martina Brenčič pracuje na ČHMÚ Brno jako vědecko-výzkumný pracovník specializující se na analýzu částic z ovzduší skenovacím elektronovým mikroskopem.
