Proč některé materiály přeměňují sluneční světlo na elektřinu s dechberoucí účinností, aniž by měly dokonalou krystalickou strukturu? Rakouští vědci z Institutu vědy a technologie (ISTA) přišli s odpovědí, která by mohla otevřít dveře nové éře fotovoltaiky. Zjistili, že olovnaté halogenidové perovskity využívají vnitřní elektrická pole vznikající na tzv. doménových stěnách, která efektivně oddělují náboje a umožňují jejich transport na velké vzdálenosti. Tento mechanismus vysvětluje, proč tyto „chaotické“ materiály konkurenci tradičnímu silikonu.
Zázrak jménem perovskit
Perovskity jsou skupina krystalických materiálů s charakteristickou kubickou strukturou, pojmenovaná podle minerálu perovskitu objeveného v roce 1839 v Uralu. V moderní fotovoltaice se však nejčastěji setkáváme s tzv. olovnatými halogenidovými perovskity, jako je jodid metylamonium-olovo (MAPbI₃) nebo bromid metylamonium-olovo (MAPbBr₃). Tyto sloučeniny fascinují vědce i technology po celém světě už více než desetiletí.
Důvodem je jejich mimořádná schopnost absorbovat světlo a přeměňovat jej na elektrický proud. Laboratorní perovskitové solární články už dnes dosahují účinnosti přes 25 %, což je hodnota srovnatelná s nejlepšími silikonovými panely. Přitom jejich výroba je teoreticky mnohem jednodušší a levnější — nevyžadují extrémně čisté materiály ani energeticky náročný růst monokrystalů, na jaký je založena klasická fotovoltaika. Mohou se vyrábět řešením z tekutých prekurzorů při relativně nízkých teplotách, což by mohlo výrazně snížit cenu a energetickou stopu solárních panelů.
Záhada neuspořádané struktury
A právě tady ležela léta nezodpovězená otázka. Jak je možné, že materiál, který se vyrábí jednoduše a jehož krystalická mřížka je plná „nepořádku“, dosahuje tak vysoké účinnosti? U silikonu platí přímá úměra: čím čistší a dokonalejší krystal, tím lepší výkon. U perovskitů to však vypadalo přesně naopak — jejich „neuspořádaná“ struktura jim zkrátka nevadila.
Vědci se dlouho pokoušeli vysvětlit tento paradox. Jedna z populárních hypotéz tvrdila, že klíčovou roli hraje ferroelektrická polarizace, tedy schopnost materiálu vytvářet vnitřní elektrické pole podobně jako některé keramiky. Problém byl, že ferroelektricita předpokládá určitou asymetrii krystalové mřížky, zatímco perovskity jako MAPbBr₃ mají při pokojové teplotě kubickou symetrii, která by takové chování měla vylučovat. Tato teorie proto nedokázala vysvětlit, proč i kubické perovskity vykazují vynikající fotovoltaické vlastnosti.
Objev z rakouského ISTA
Tým vedený vědcem Zhanybekem Alpichshevem z ISTA se rozhodl jít přímo k jádru problému. Místo toho, aby se spokojili s teoretickými modely, zaměřili se na velké monokrystaly MAPbBr₃. „Chtěli jsme se ujistit, že to, co pozorujeme, je skutečně vnitřní vlastnost perovskitů, nikoli důsledek nízkosymetrické fáze nebo povrchových efektů malých vzorků,“ vysvětlil Alpichshev pro pv magazine.
Výzkumníci použili nelineární optickou excitaci k vytvoření elektronů a děr hluboko uvnitř krystalu a poté měřili proud. Zjistili něco překvapivého: i bez připojeného externího napětí proud konzistentně tekl stejným směrem pokaždé, když byla vytvořena nová populace nosičů náboje. Tento „proud při nulovém napětí“ jasně dokazoval, že hluboko uvnitř perovskitového krystalu působí vnitřní síly, které samovolně oddělují opačné náboje.
Další měření pomocí polarizovaného světla a závislosti na teplotě odhalila, že řešením pěstovaný MAPbBr₃ vykazuje vrozenou strukturní deformaci i ve své vysokoteplotní fázi. Tím byl zpochybněn předpoklad o dokonalé kubické symetrii. Materiál se chová jako tzv. ferroelastický systém — jeho strukturální „nekubičnost“ je lokalizována na tzv. doménových stěnách, nikoli rovnoměrně rozložena v celé mřížce.
Flexoelektrická polarizace vysvětlena jednoduše
Co to vlastně znamená? Představte si perovskitový krystal jako síť propojených kostiček. Většina kostiček je uspořádaná pravidelně, ale na hranicích mezi jednotlivými oblastmi (doménami) dochází k místnímu zkroužení a napětí. Právě tato napjatá místa — doménové stěny — vytvářejí silná vnitřní elektrická pole díky jevu zvanému flexoelektrická polarizace.
Tato pole efektivně „chytají“ volné elektrony a díry, oddělují je a brání jejich předčasnému zániku rekombinací. Zároveň slouží jako dynamické transportní kanály, které umožňují dlouhodobý přenos náboje přes materiál. „Klíčové zjištění je, že zatímco silikonová technologie spoléhá na nepřítomnost nečistot, u perovskitů to funguje přesně naopak,“ uvedl spoluautor studie Dmytro Rak. „Naše práce poskytuje fyzikální vysvětlení těchto materiálů, které zahrnuje většinu — ne-li všechny — jejich známé vlastnosti.“
Studie publikovaná v prestižním časopise Nature Communications pod názvem „Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites“ tak nabízí obecný mechanismus, který by mohl platit pro celou širokou rodinu olovnatých halogenidových perovskitů. Podobné chování výzkumníci pozorovali i u MAPbI₃, což naznačuje, že flexoelektrické doménové stěny jsou univerzálním fenoménem této skupiny materiálů.
Co to znamená pro budoucnost solární energie v Česku?
Evropská unie si stanovila ambiciózní cíl: do roku 2030 pokrýt 42,5 % celkové spotřeby energie z obnovitelných zdrojů. Solární fotovoltaika bude při naplňování tohoto závazku hrát klíčovou roli. Česká republika přitom stále zaostává za evropským průměrem v instalacích fotovoltaických kapacit na obyvatele, a proto potřebuje nejen masivní investice, ale i technologické inovace, které sníží cenu a zvýší efektivitu solárních systémů.
Perovskitové články by v budoucnu mohly doplnit nebo dokonce nahradit dnešní silikonové technologie. Jejich potenciální nízká cena výroby a možnost aplikace na lehké, ohebné substráty otevírá dveře novým použitím — od integrace do fasád budov až po mobilní zdroje energie. Pokud se podaří vyřešit dlouhodobou stabilitu a náchylnost perovskitů k vlhkosti, mohly by tyto materiály urychlit přechod k čisté energii i v menších státech jako je Česko.
Silikon versus perovskit: dvě filosofie výroby
Rozdíl mezi silikonovou a perovskitovou technologií je hlubší než jen chemické složení. Silikon vyžaduje téměř dokonalou čistotu a strukturu — jakákoliv vada v krystalu snižuje výkon. Výroba proto probíhá v extrémně čistých prostředích při vysokých teplotách a spotřebovává značné množství energie.
Perovskity naopak svou „poškozenou“ strukturu proměňují ve výhodu. Vnitřní elektrická pole na doménových stěnách kompenzují nedokonalosti a materiál si udržuje vysokou účinnost i přes jednoduchou a levnou výrobu. Tento objev může vést k nové generaci solárních článků, které se budou vyrábět téměř jako nátěr — rychle, levně a s minimální energetickou náročností.
Přesto zůstávají před vědci výzvy. Dlouhodobá stabilita perovskitových článků pod vlivem vlhkosti, ultrafialového záření a teplotních cyklů je stále problematická. Ovšem pochopení základní fyziky materiálu, jaké přinesl tým z ISTA, je klíčovým krokem k tomu, aby se z laboratorního zázraku stal komerční standard.
Jsou perovskitové solární panely už dostupné na běžném trhu?
Zatím nikoli v masovém měřítku. I přes vysokou laboratorní účinnost trápí perovskitové články problémy s dlouhodobou stabilitou a degradací ve vlhkém prostředí. Několik firem již testuje první komerční vzorky, ale široká dostupnost se očekává nejdříve v příštím desetiletí.
Proč se perovskitům říká „neuspořádané“ nebo „chaotické“ materiály?
Jejich krystalická mřížka obsahuje množství lokálních deformací, domén a napětí, které by u klasických polovodičů jako silikon vedly ke značné ztrátě výkonu. U perovskitů však tyto „nedokonalosti“ paradoxně vytvářejí vnitřní elektrická pole, která pomáhají oddělovat náboje a zvyšují účinnost.
Mohou perovskity zcela nahradit silikon?
V dohledné době spíše ne. Pravděpodobnější je scénář, kdy perovskity doplní silikon v takzvaných tandemových článcích, kde perovskitová vrstva absorbuje modré světlo a silikon červené. Tím by se mohla celková účinnost panelů přiblížit 30 % a více.