مسیر تولید تجاری سلول های خورشیدی پروسکایت هموار شد

محققان دانشگاه رایس “مشکل پایداری” در سلول های خورشیدی پروسکایت هالید را حل کرده اند که راه را برای تولید و استفاده تجاری آنها هموار می کند.

به گزارش تک ناک ، در مطالعه تحقیقاتی که امروز منتشر شد، محققان حلال مناسبی را که امکان ساخت سلول‌های خورشیدی دو بعدی و سه‌ بعدی با تبدیل انرژی بالا را فراهم می‌کند، به تفصیل شرح داده‌اند.

سلول های خورشیدی پروسکایت دارای پتانسیل عظیمی هستند زیرا بازده تبدیل انرژی آنها در دهه گذشته بسیار سریع افزایش یافته است. با این حال، کاربردهای در مقیاس بزرگ با استفاده از سلول های خورشیدی پروسکایت امروزه رایج نیست زیرا این ماده در تماس با رطوبت و اکسیژن مستعد تجزیه شدن است.

در چند سال گذشته، محققان تغییراتی را در جهت بهبود  این ماده انجام داده اند که باعث بقای این ماده برای ماه ها شد. با این حال، برای استفاده  تجاری، سلول های خورشیدی پروسکایت باید حداقل برای دو دهه پایدار بمانند. این امر اکنون می تواند با کار انجام شده توسط محققان دانشگاه رایس امکان پذیر شود.

سلول های خورشیدی پروسکایت دو وجهی

آدیتیا موهیت، مهندس شیمی و بیومولکولی، آزمایشگاهی در دانشکده مهندسی دانشگاه رایس دارد که در آنجا تحقیقاتی را در زمینه ساخت سلول‌های خورشیدی سه بعدی/دو بعدی انجام می‌دهد.

در بیانیه مطبوعاتی، موهیت توضیح می‌دهد که پروسکایت‌های دوبعدی پایدار هستند اما از راندمان کمتری در تبدیل انرژی بخوردار هستند در حالی که سلول‌های سه‌بعدی راندمان تبدیل انرژی بالاتر اما پایداری پایینی دارند.

ترکیب این دو نوع، بهترین ویژگی های هر دو را به منصه ظهور می رساند. این سلول های دو وجهی را می توان برای مواردی  که نور از هر دو طرف وارد می شود استفاده کرد. پروسکایت 2 بعدی تصاویر آبی و قابل مشاهده را جذب می کند در حالی که سمت 3 بعدی تصاویر نزدیک به مادون قرمز را جذب می کند.

با این حال، ساخت این سلول ها پیچیده است. در سطح صنعت، برای چنین کاربردهایی پردازش محلول روشی است که  استفاده می شود .در این روش ابتدا ماده یک در محلول حل شده سپس ماده دو در محلول قرار می گیرد ودر نهایت ذرات ماده یک به سطح ماده دو رسوب  می کند . هنگامی که مایع تبخیر می شود ماده دو با ماده یک پوشیده شده است. از آنجایی که هر دو لایه در یک سلول دو وجهی خورشیدی از یک ماده تشکیل شده اند، حلال های مورد استفاده در ساخت آنها می توانند لایه  های زیرین را نیز حل کنند.

یافتن حلال مناسب

تیم موهیت دو ویژگی مهم حلال، ثابت دی الکتریک و عدد اهداکننده Gutmann را بررسی کردند. ثابت دی الکتریک نسبت نفوذپذیری الکتریکی ماده به فضای آزاد آن است. این عدد مشخص می کند که یک حلال چگونه می تواند یک ترکیب را حل کند.

در بیانیه مطبوعاتی آمده است که با مطالعه این خواص برای پروسکایت ها، موهیت و تیم تحقیقاتی او دریافتند که فقط چهار حلال وجود دارد که می تواند پروسکایت ها را حل کند و همچنان آنها را بدون ایجاد اختلال در لایه زیرین پردازش کند. محققان سلول های خورشیدی را به مدت بیش از 2000 ساعت در برابر نور آزمایش کردند اما حتی یک درصد تخریب را مشاهده نکردند. لایه های سلول های خورشیدی  فقط یک میکرون ضخامت دارند.

موهیت ادعا می کند که با استفاده از کشف آنها، می توان سلول های خورشیدی پروسکایتی را با ظرفیت 30 متر در دقیقه ساخت. جالب اینجاست که کاربردها تنها به انرژی خورشیدی محدود نمی شوند. بیانیه مطبوعاتی افزود: این روش همچنین در تولید سوختهای هیدروژن سبز، انرژی الکتریکی خورشیدی خارج از شبکه توزیع برق  برای خودروها و ساخت سلول های  فتوولتائیک قابل استفاده است.

به دلیل ناسازگاری حلال که لایه زیرین را مختل می کند، تحقق ساختارهای ناهمسان پردازش شده با محلول یک چالش طولانی مدت در پروسکایت هالید است.

با استفاده از ثابت دی الکتریک حلال و عدد اهداکننده گاتمن، می‌توانیم پشته‌های پروسکایت هالید دو بعدی (2 بعدی) خالص با ترکیب، ضخامت و شکاف نواری را روی پروسکایت‌های سه بعدی بدون حل کردن بستر زیرین بچسبانیم.

توصیف صفات اختصاصی  یک ناحیه گذار 3 بعدی-2 بعدی 20 نانومتری را نشان می دهد که عمدتاً توسط زبری لایه سه بعدی پایین تعیین می شود.

وابستگی ضخامت لایه پروسکایت دوبعدی روندهای پیش‌بینی‌شده برای معماری‌های n-i-p و p-i-n را نشان می‌دهد، که با هم‌ترازی باند و محدودیت‌های انتقال حامل انرژِی برای پروسکایت‌های دوبعدی سازگار است.

ما راندمان فتوولتائیک 24.5درصد را با پایداری استثنایی T99 (زمان لازم برای حفظ 99درصد بازده اولیه فتوولتائیک) بیش از 2000 ساعت اندازه‌گیری کردیم، که به این معنی است که دولایه 3دو بعدی- سه بعدی دوام ذاتی پروسکایت 2 بعدی را بدون کاهش کارایی به ارث می‌برد.