سلولهای خورشیدی Perovskite

بطور کلی، تکنولوژیهای فتوولتائیک به دو دسته اصلی تقسیم میگردند:

  • wafer-based
  • غشائ نازک thin-film

  •  سلولهای سیلیکونی سنتی که حدود ۹۰ درصد بازار  را به خود اختصاص داده و آرسنید گالیوم که بالاترین راندمان را دارد در دسته بندی wafer-based قرار میگیرند.

سلولهای غشائ نازک نور را با راندمان بیشتری نسبت به نوع سیلیکونی جذب میکنند. سلولهای خورشیدی Perovskite موسوم به PCS ها، که در دسته بندی غشای نازک قرار دارند، عبارتند از نوعی سلول خورشیدی با ساختار Perovskite ، که جاذب نور بوده و  مواد تشکیل دهنده آن اغلب شامل هیبرید آلی- معدنی یا مواد پایه قلع-هالید است. مواد  Perovskite همانند هالید سرب متیل آمونیوم و هالیدهای غیر ارگانیک سزیم، هزینه تولید پائین داشته و ساختشان آسان میباشد. راندمان سلولهای خورشیدی وسایلی که از این مواد استفاده میکنند، در ساختار تک دانه، از ۳٫۸ درصد در سال ۲۰۰۹ به ۲۲٫۷ درصد در سال ۲۰۱۷ و در سلولهای پایه سیلیکونی تا ۲۶٫۷ درصد و در ساختار چهار و دو ترمینالی تا ۲۵٫۲ درصد افزایش یافته است. این افزایش راندمان بالاترین مقدار در تکنولوژی سلولهای خورشیدی است. با امکان افزایش راندمان تا بیش از این اعداد و نیز هزینه پائین تولید، PCS را از نظر تجاری مورد توجه قرارداده است. مواد اولیه مورد استفاده در این سلولها و روشهای تولید( همانند تکنولوژیهای متنوع پرینت سلولها) هر دو کم هزینه میباشند.  ضریب جذب بالای آنها موجب می شود که لایه های بسیار نازک در حدود ۵۰۰ نانومتر قادر به جذب طیف کامل خورشید باشند. این ویژگی امکان ساخت کم هزینه، با راندمان بالا، نازک، سبک و ماژولهای خورشیدی منعطف را فراهم میسازد.

موضوع مطرح در سال ۲۰۱۵ اندازه کوچک آنها بود چرا که در آن زمان بزرگترین PCS ساخته شده تنها به اندازه یک ناخن انگشت بود و به سرعت در محیط های مرطوب تخریب میشد. با این حال، در سال ۲۰۱۷ محققان EPFL اعلام داشتند که موفق به ساخت PCSها در مقیاس بزرگ شده اند که در محیط مرطوب برای مدت بیش از یک سال تخریب نمیگردد. اکنون این تیم تحقیقاتی هدف خود را برای توسعه PCS قابل پرینت شدن با راندمان بالای ۲۲ درصد معطوف ساخته است.

عنوان سلول خورشیدی Perovskite از ساختار بلوری ABX3 مواد جذب کننده مشتق شده است که اشاره با ساختار Perovskite  دارد. عمده مطالعه کلی انجام یافته در مورد جاذب Perovskite بر روی تری هالید سرب متیل آمونیوم CH3NH3PbX3 است که در آن X معرف اتم هالوژن از قبیل کلورین، برومین یا ید، که  بسته به محتویات هالید، دارای شکاف باند اپتیکی بین ۱٫۵ تا ۲٫۳ الکترون ولت میباشد. تری یدید سرب متیل آلومیوم یکی از مواد Perovskite  میباشد.

شکاف باند اپتیکی، منطقه‌ای از طیف انرژی در یک ماده جامد گفته میشود که در آن طیف هیچ حالت الکترونی نمی‌تواند وجود داشته باشد. حداقل باند برای یک سلول تک اتصالی از تری هالید سرب متیل آمونیوم حالت بهینه است و لذا باید دارای حداکثر راندمان باشد.

اولین کاربرد Perovskite در یک سلول خورشیدی حالت جامد بشکل یک سلول حساس به رنگ بوده که در آن  از CsSnI3 بعنوان حفره نوع P استفاده شده بود.

نگرانی عمومی، استفاده از سرب بعنوان یک ماده Perovskite است. به منظور غلبه بر ناپایداری مواد Perovskite آلی پایه سرب در معرض هوای محیط و کاهش استفاده از سرب، مشتقات Perovskite ، مانند Cs2SnI6  نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

سلول های خورشیدی Perovskite، نسبت به سلول های خورشیدی سیلیکونی سنتی به جهت سادگی تولیدشان، مزیت دارند. سلولهای سیلیکونی سنتی نیاز به ساخت پرهزینه و چند مرحله ای دارد که در دماهای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در خلاء بالا و در اتاقهای ویژه بسیار تمیز انجام می شود. ولی مواد Perovskite ارگانیک-غیر معدنی می توانند با تکنیک های شیمیایی ساده تر در یک محیط آزمایشگاهی معمولی تولید شوند. مهمتر از همه، متیل آمونیوم و تری هالیدهای سرب فورمامیدیوم با استفاده از تکنیک های مختلف حلال و تکنیک های رسوبدهی بخار تولید شده اند که هر دو دارای قابلیت بالقوه می باشند.

در روش ساخت یک مرحله ای، یک هالید سرب و یک هالید متیل آمونیوم را می توان در یک حلال حل کرد و روی یک بستر بشکل چرخشی پوشش داد. تبخیر و سپس خود تجمعی در طی چرخش باعث می شود که به علت اتصالات قوی یونی درون ماده، لایه های متراکمی از ماده Perovskite بشکل بلور بخوبی تشکیل گردد. ترکیبات ارگانیک نیز به پایین تر بودن دمای فرایند بلوری شدن کمک میکند.

با این حال، پوشش دادن چرخشی ساده لایه های یکنواخت ایجاد نمیکند بلکه نیاز به افزودن سایر مواد شیمیایی مانند GBL, DMSO و  Toluence دارد. فرایند حلال ساده در حضور حفره ها منجر به ایجاد پلاکت ها و نقایص دیگر در لایه، که مانع از کارایی یک سلول خورشیدی است، می شود. اخیرا رویکرد جدیدی برای شکل دادن به نانوساختار PbI2 و استفاده از غلظت بالای CH3NH3I برای ساخت Perovskite  با کیفیت ( اندازه بزرگ کریستال و صاف بودن) و کارایی بهتر مورد توجه قرار گرفته است.

از یک سو، ترکیب مقادیر کمی از مواد افزودنی به محلول های پیش ساز PbI2، به طور قابل توجهی تبدیل Perovskite را بدون هیچ گونه رسوب PbI2 تسهیل می کند. از سوی دیگر، از طریق بکارگیری یک غلظت نسبتا بالا از CH3NH3I، یک لایه کریستالی یکنواخت از CH3NH3PbI3 تشکیل میشود.

روش دیگر، استفاده از استخراج حلال –حلال در درجه حرارت اتاق است که لایه های کریستالی با کیفیت بالا را با کنترل دقیق بر ضخامت تا ۲۰ نانومتر، بدون تولید حفره، تولید می کند. در این روش، مواد اولیه Perovskite ها در حلالی به نام NMP حل شده و روی لایه ای پوشش داده می شوند. سپس، بجای حرارت دادن، لایه در حمام دی اتیل اتر قرار داده میشود. در نهایت در داخل حلال دیگری قرار میگیرد که حلال NMP را جذب کرده و آن را از بین می برد. چیزی که بجا میماند، عبارت خواهد بود از لایه بسیار یکنواخت کریستال Perovskite.

در روشی دیگر از فرایند حل کردن، مخلوطی از یدید سرب و هالید متیل آمونیوم در محلول DMF پیش گرم می شود. سپس مخلوط بصورت چرخشی، بر روی یک لایه که در دمای بالا قرار دارد، پوشش داده میشود. با این روش، لایه های یکنواخت تا اندازه یک میلیمتر ایجاد میشود.

در سال ۲۰۱۴ میلادی، در بوستون آمریکا، خانم اولگا مالینکیویکس فرایند ابداعی خود جهت ساخت صفحات Perovskite به کمک پرینت کردن را اعلام داشت و جایزه تکنولوژی MIT را دریافت نمود. همچنین دانشگاه Toronto ادعا داشت که روش پرینت سلولهای خورشیدی با هزینه پائین را توسعه داده است که در آن مواد خام Perovskite درون جوهر نانوسولار مخلوط میشوند که میتواند برای پرینت کردن بر روی شیشه، پلاستیک یاسایر مواد مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از ویژگی های مهم سیستم رایج Perovskite ، هالیدهای سرب متیل آمونیوم، وجود یک شکاف باند  است که توسط محتوای هالید قابل کنترل میباشد. این مواد همچنین یک طول پخش را برای هر دو حالت حفره و الکترون بیش از یک میکرون نشان میدهد. طول پخش طولانی بدان معنی است که این مواد می توانند به طور موثر در یک ساختار فیلم-نازک عمل کنند  که میتواند شرایط را برای حمل صفحات Perovskite در مسافتهای طولانی فراهم کند.

مواد Perovskite از سالیان پیش شناخته شده بود، اما نخستین کاربرد آن در سلولهای خورشیدی در سال ۲۰۰۹ میلادی توسط میاساکا گزارش گردید که بر مبنای طراحی سلولهای خورشیدی حساس به نور بود و راندمان ۳٫۸ درصد را در یک لایه Perovskite در ماده متخلخل TiO2 به عنوان جمع کننده الکترون به ثبت رساند ولی به دلیل استفاده از الکترولیت خورنده مایع، سلول تنها یک دقیقه پایدار ماند. پارک و همکارانش در سال ۲۰۱۱، با استفاده از مفهوم حساس به رنگ، آنرا تا ۶٫۵ درصد، بهبود دادند. یک پیشرفت بزرگ در سال ۲۰۱۲ میلادی زمانی اتفاق افتاد که هنری اسنایس و مایک لی از دانشگاه آکسفورد متوجه شدند اگر Perovskite با یک حامل حفره حالت جامد مانند spiro-OMeTAD در تماس باشد پایدار میماند و دیگر نیازی به لایه TiO2 برای انتقال الکترون نخواهد داشت. همچنین آنها نشان دادند که راندمان تقریبی ۱۰درصد با استفاده از معماری TiO2 با حامل حفره ای حالت جامد امکان پذیر است. آزمونهای بیشتر در جایگزینی TiO2 با Al2O3 منجر به افزایش ولتاژ مدار باز و بهبود راندمان با فزایش ۳ تا ۵ درصد شد. پس از آن، این تحقیق به شدت ادامه پیدا کرد و نشان داد Perovskite می تواند حفره ها و الکترون ها را حمل کند. سلول خورشیدی Perovskite بدون نیاز به ماده ای دیگر راندمان بالای ۱۰ درصد را ایجاد میکند.

در سال ۲۰۱۳ میلادی شاهد پیشرفت در دو طرح planar و sensitized بودیم. بورشکا و همکارانش تکنیک رسوب گذاری برای معماری sensitized  تا راندمان بیش از ۱۵درصد و بکمک روش حل دو مرحله ای را ارائه دادند.  در نوامبر ۲۰۱۴ میلادی،  توسط محققان KRICT وسیله ای ساخته شد که راندمان ۲۰٫۱ درصد را به ثبت رساند و در دسامبر ۲۰۱۵ میلادی، محققان EPFL رکورد جدید برای راندمان ۲۱ درصد دست یافتند. در ادامه در مارس ۲۰۱۶، محققان KRICT و UNIST به بالاترین راندمان ثبت شده با رقم ۲۲٫۱ درصد دست یافتند.

چالش بزرگ برای PCS ها، جنبه پایداری کوتاه مدت و بلند مدت آن میباشد. ناپایداری آنها عمدتا مربوط به تاثیرات محیطی ناشی از رطوبت و اکسیژن، گرما، حرارت ناشی از وسایل تحت ولتاژ ، اثرات نور و شکنندگی مکانیکی میباشد.  مطالعات زیادی در مورد PCSها انجام یافته و برخی موارد برای پایداریشان بهبود یافته است. با این وجود، هیچ پروتکل پایداری استاندارد برای آنها وجود ندارد.

مواد تشکیل دهنده ارگانیک جاذب، قابلیت حل شدن در آب را دارند که باعث میشود دستگاههایی متشکل از این مواد را در محیط های مرطوب به شدت در معرض تخریب سریع قرار میدهد. تخریب ناشی از رطوبت می تواند، در مراحل ساخت، با بهینه سازی مواد تشکیل دهنده، نوع طراحی سلول، رابطها و شرایط محیطی کاهش یابد. قرار دادن جاذب Perovskite  داخل کپسول با کامپوزیت نانولوله های کربنی و ماتریس پلیمری بی اثر باعث میشود زمانی که در معرض هوای مرطوب قرار میگیرد از تخریب سریع مواد جلوگیری بعمل آید. با وجود این، هیچ مطالعه بلند مدت و تکنیک جامع کپسوله سازی برای PCS ها گزارش نشده است.

چالش دیگر برای PCSها این است که اسکنهای ولتاژ-جریان مقادیر مبهمی را برای راندمان نشان میدهند. راندمان تبدیل توان یک سلول خورشیدی معمولا با مشخص کردن رفتار ولتاژ-جریان با شبیه سازی نور خورشید تعیین میگردد. بر خلاف سایر سلولهای خورشیدی، مشاهده شده که منحنی های IV سلول های خورشیدی Perovskite یک رفتار هیسترتی را نشان می دهند.

 اکنون محققان انستیتوی تکنولوژی  Karlsruhe  (KIT) به شناخت اساسی از نحوه عملکرد PCSها دست یافته اند. آنها متوجه شده اند که نواحی مرزی جفتهای الکترون-حفره می تواند در هنگام جذب نور، تشکیل شود. این جفتها میتوانند به سادگی برای برقراری جریان از هم جدا شوند. علاوه بر این آنها شدت جذب را افزایش میدهند.

در کمتر از یک دهه، Perovskite ها پیشرفت قابل ملاحظه ای داشته اند. در عین حال، به گفته متخصص فوتوولتاسیون، دکتر مایکل هتریش از KIT، سلول های خورشیدی Perovskite بیش از ۲۰ درصد از نور را به طور مستقیم به جریان قابل استفاده تبدیل می کنند۰

همانگونه که ذکر گردید، چالش تحقیقات فعلی مربوط به بالابردن ثبات باند PSCها  و جایگزینی سرب با مواد سازگار با محیط زیست میباشد. این نیاز به درک عمیق در ساختار و عملکرد لایه های Perovskite دارد. اکنون، محققان عملکرد سلولهای خورشیدی جفتی لایه نازک را بر پایه Perovskiteها مورد مطالعه قرار داده و به یافته های جدیدی از ماهیت فیزیکی انتقال نوری دست یافته اند. انتقال نوری عبارت است از تغییرات ناحیه انرژی الکترون ها در یک ماده با انتشار (آزاد شدن) یا جذب فوتونها(ذرات نور). فابیان روف از گروه پروفسور هاینز کالت از KIT، در رساله دکترای خود، اشاره می کند که انتقال نور پایه در سلول های خورشیدی با جاذب یدید سرب متیل آمونیوم، هالید کلاسیک Perovskite، ویژگی اکسایتون است. اکسایتون در واقع ترکیب یک الکترون و یک حفره در نیمه رسانایی است که در حالت بر انگیخته باشد. این بدین معنی است که اکسایتون میتواند در سلولهای خورشیدی، بعد از جذب نور، تشکیل گردد. برای داشتن حاملهای آزاد و ایجاد جریان، باید بر انرژی اتصال اکسایتون غلبه گردد. فابین راف، با استفاده از طیف سنجی جذب الکترونی وابسته به دما، سلولهای خورشیدی نیمه شفاف را با جاذب یدید سرب آلومیوم و با روش شیمیایی مرطوب مورد مطالعه قرار داد. بسته به ساختار کریستالی Perovskite که با تغییر دما تغییر میکند، مقدار انرژی اتصال اکسایتون حدود ۲۶ و ۱۹ میلی الکترون ولت خواهد بود. بنابر این انرژی اتصال به اندازه کافی کم هست تا اطمینان داشت که جدایی حرارتی حامل ها در دمای اتاق رخ خواهد داد. علاوه بر آن اکسایتونیک بر افزایش جذب تاثیر میگذارد. هر دو رویکرد با هم منجر به عملکرد بهتر PCS میگردد.

شرکت Oxford PV، پیشتاز در تکنولوژی سلول Perovskite ادعا داشته که تا سال ۲۰۲۰ میلادی به رکورد راندمان بالای ۳۰درصد خواهد رسید.

این شرکت با بهره گیری از ماده ی که به گفته ی کارشناسان می تواند تکنولوژی برق خورشیدی را تغییر دهد، به راندمان ۲۷٫۳ درصد برای یک سلول خورشیدی دو طرفه دست یافته است و در یک بیانیه مطبوعاتی، اظهار داشته که این راندمان برای سلول های خورشیدی Perovskite-سیلیکون در ابعاد یک سانتیمتر مربع توسط مؤسسه Fraunhofer  مورد تائید قرار گرفته است.  در مقایسه با آخرین رکورد جهانی یعنی ۲۶٫۷ درصد برای یک سلول خورشیدی سیلیکونی، این راندمان بیش از نیم درصد بالاتر میباشد.

 

مطالب مرتبط

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.




ارسال