طراحی جدید برای سلول‌های خورشیدی که از مواد ارزان قیمت و معمولی در دسترس استفاده می‌کند، می‌تواند رقیب سلول‌های معمولی ساخته شده از سیلیکون باشد و حتی از آنها بهتر عمل کند.
نوشته در نسخه 21 اکتبر Science، محققان از استنفورد و آکسفورد استفاده از قلع و سایر عناصر فراوان را برای ایجاد اشکال جدید پروسکایت - یک ماده کریستالی فتوولتائیک که نازک‌تر، انعطاف‌پذیرتر و آسان‌تر از کریستال‌های سیلیکون ساخته می‌شود، توصیف می‌کنند..
مایکل مک گیهی، یکی از نویسندگان این مطالعه، استاد علم و مهندسی مواد در استنفورد، گفت: "نیمه هادی های پروسکایتی نویدهای زیادی برای ساخت سلول های خورشیدی با کارایی بالا با هزینه کم نشان داده اند." ما یک دستگاه قوی و تمام پروسکایت طراحی کرده‌ایم که نور خورشید را با بازده 20.3 درصد به الکتریسیته تبدیل می‌کند، نرخی که با سلول‌های خورشیدی سیلیکونی موجود در بازار امروز قابل مقایسه است.»
دستگاه جدید از دو سلول خورشیدی پروسکایتی تشکیل شده است که پشت سر هم قرار گرفته اند. مک گیهی اضافه کرد که هر سلول روی شیشه چاپ می شود، اما می توان از همان فناوری برای چاپ سلول ها روی پلاستیک استفاده کرد.
هنری اسنایت، استاد فیزیک در آکسفورد، می‌گوید: «سلول‌های پشت سر هم تمام پروسکایتی که ما نشان داده‌ایم به وضوح نقشه‌ای را برای سلول‌های خورشیدی لایه نازک ترسیم می‌کنند تا بازدهی بیش از ۳۰ درصد را ارائه کنند. "این تازه شروع است."
تکنولوژی پشت سر هم
مطالعات قبلی نشان داد که افزودن یک لایه پروسکایت می تواند کارایی سلول های خورشیدی سیلیکونی را بهبود بخشد. اما به گفته نویسندگان، ساخت یک دستگاه پشت سر هم متشکل از دو سلول تمام پروسکایت ارزان‌تر و انرژی‌برتر خواهد بود.
توماس لیجتنز، یکی از نویسندگان ارشد، محقق فوق دکترا، گفت: «یک پنل خورشیدی سیلیکونی با تبدیل سنگ سیلیکا به کریستال‌های سیلیکونی از طریق فرآیندی که شامل دمای بالای 3000 درجه فارنهایت (1600 درجه سانتیگراد) است، آغاز می‌شود. در استنفورد سلول‌های پروسکایت را می‌توان در آزمایشگاه از مواد معمولی مانند سرب، قلع و برم پردازش کرد، سپس روی شیشه در دمای اتاق چاپ کرد.»
اما ساخت یک دستگاه پشت سر هم تمام پروسکایت یک چالش دشوار بوده است. مشکل اصلی ایجاد مواد پروسکایتی پایدار است که قادر به گرفتن انرژی کافی از خورشید برای تولید ولتاژ مناسب هستند.
یک سلول پروسکایت معمولی فوتون ها را از قسمت مرئی طیف خورشیدی برداشت می کند. فوتون‌های پرانرژی می‌توانند باعث شوند که الکترون‌های کریستال پروسکایت از یک «شکاف انرژی» بپرند و یک جریان الکتریکی ایجاد کنند.
یک سلول خورشیدی با شکاف انرژی کوچک می تواند بیشتر فوتون ها را جذب کند اما ولتاژ بسیار کمی تولید می کند. سلولی با شکاف انرژی بزرگ‌تر ولتاژ بیشتری تولید می‌کند، اما فوتون‌های کم‌انرژی مستقیماً از آن عبور می‌کنند.
یک دستگاه پشت سر هم کارآمد از دو سلول کاملاً منطبق تشکیل می شود، نویسنده همکار، Giles Eperon، محقق فوق دکترای آکسفورد که در حال حاضر در دانشگاه واشنگتن است، گفت.
اپرون گفت: «سلولی با شکاف انرژی بزرگ‌تر فوتون‌های با انرژی بالاتر را جذب می‌کند و ولتاژ اضافی تولید می‌کند. "سلولی با شکاف انرژی کوچکتر می تواند فوتون هایی را جمع آوری کند که توسط سلول اول جمع آوری نشده اند و همچنان ولتاژ تولید می کنند."
ثابت شده است که شکاف کوچکتر چالش بزرگتری برای دانشمندان است. Eperon و Leijtens با همکاری یکدیگر از ترکیب منحصر به فردی از قلع، سرب، سزیم، ید و مواد آلی برای ایجاد یک سلول کارآمد با شکاف انرژی کوچک استفاده کردند.
اپرون گفت: «ما پروسکایت جدیدی تولید کردیم که نور مادون قرمز کم انرژی را جذب می کند و بازده تبدیل 14.8 درصدی را ارائه می دهد. سپس آن را با یک سلول پروسکایتی متشکل از مواد مشابه اما با شکاف انرژی بزرگ‌تر ترکیب کردیم.»
نتیجه: یک دستگاه پشت سر هم متشکل از دو سلول پروسکایت با بازده ترکیبی 20.3 درصد.
"هزاران ترکیب احتمالی برای پروسکایت ها وجود دارد،" لایتنس، "اما این یکی بسیار خوب عمل می کند، کاملاً بهتر از هر چیزی قبل از آن."
به دنبال ثبات
یکی از نگرانی های پروسکایت ها ثبات است. پنل های خورشیدی پشت بام ساخته شده از سیلیکون معمولا 25 سال یا بیشتر عمر می کنند. اما برخی از پروسکایت ها در معرض رطوبت یا نور به سرعت تجزیه می شوند. در آزمایش‌های قبلی، پروسکایت‌های ساخته شده با قلع به‌ویژه ناپایدار بودند.
برای ارزیابی پایداری، تیم تحقیقاتی هر دو سلول آزمایشی را به مدت چهار روز در دمای 212 درجه فارنهایت (100 درجه سانتیگراد) قرار دادند.
نویسندگان نوشتند: "به طور اساسی، ما دریافتیم که سلول های ما پایداری حرارتی و جوی عالی را نشان می دهند، که برای پروسکایت های مبتنی بر قلع بی سابقه است".
McGehee گفت: "کارایی دستگاه پشت سر هم ما در حال حاضر بسیار بیشتر از بهترین سلول های خورشیدی پشت سر هم ساخته شده با سایر نیمه هادی های ارزان قیمت، مانند مولکول های کوچک آلی و سیلیکون میکروکریستالی است." "کسانی که پتانسیل را می بینند متوجه می شوند که این نتایج شگفت انگیز است."
اسنایت گفت گام بعدی بهینه سازی ترکیب مواد برای جذب نور بیشتر و تولید جریان بیشتر است.
"تناسب پروسکایت ها، هزینه پایین مواد و ساخت، که اکنون با پتانسیل دستیابی به راندمان بسیار بالا همراه شده است، پس از اثبات قابلیت ساخت و پایداری قابل قبول، در صنعت فتوولتائیک متحول خواهد شد."
ویدئو:
