بهبود کارایی و پایداری سلول‌های خورشیدی با یک لایه نازک

استاد مهندسی دانشگاه تورنتو، گفت: پیشرفت‌های بیشتر در کارآیی سلول‌های خورشیدی برای کاهش تولید گازگلخانه‌ای برای اقتصاد ما بسیار مهم است.

وی گفت: در حالی‌که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی در سال‌های اخیر دستخوش پیشرفت‌های چشمگیر شده‌اند، محدودیت‌های ذاتی در کارآیی و هزینه آن‌ها وجود دارد که ناشی از خواص اجزای آن است. فناوری پروسکیت می‌تواند بر این محدودیت‌ها غلبه کند.

سلول‌های خورشیدی فعلی از ویفر‌های سیلیکونی با خلوص بسیار بالا ساخته شده‌اند که از نظر انرژی پرهزینه هستند. در مقابل، سلول‌های خورشیدی پروسکیتی از بلور‌های به اندازه نانو ساخته شده‌اند که می‌توانند با استفاده از روش‌های کم هزینه و تثبیت شده، روی یک سطح پراکنده شوند.

یکی دیگر از مزیت‌های پرووسکیت‌ها این است که با تنظیم ضخامت و ترکیب شیمیایی فیلم‌های بلوری، تولیدکنندگان می‌توانند طول موج‌های نور را که جذب می‌شوند و به برق تبدیل می‌شوند، تنظیم کنند، در حالی که سیلیکون همیشه همان قسمت از طیف خورشیدی را جذب می‌کند.

در این پروژه، محققان از دو لایه مختلف پروسکیتی استفاده کردند که هر کدام به بخشی از طیف خورشیدی اختصاص دارند تا آنچه را که به‌عنوان یک سلول خورشیدی یکپارچه شناخته می‌شود، تولید کند.

یکی از محققان این طرح، گفت: در سلول ما، لایه بالایی پروسکیتی دارای شکاف باند وسیع‌تری است که نور ماورای بنفش و همچنین بخشی از نور مرئی را به خوبی جذب می‌کند. لایه پایین دارای شکاف باند باریک است که بیشتر به سمت قسمت مادون قرمز طیف تنظیم می‌شود. بین این دو را، با سیلیکون پوشش می‌دهیم.

این ساختار جذبی یکپارچه، سلول را قادر می‌سازد ولتاژ بسیار بالایی را تولید کند، که به نوبه خود باعث افزایش کارایی آن می‌شود. اما نوآوری کلیدی زمانی حاصل شد که تیم رابط بین لایه پروسکیت را تجزیه و تحلیل کرد، جایی که نور جذب می‌شود و به الکترون‌های برانگیخته تبدیل می‌شود.

یکی دیگر از پژوهشگران این پروژه گفت: آنچه ما پیدا کردیم این است که میدان الکتریکی در سطح لایه پروسکیتی یکنواخت نیست.

وی گفت: تأثیر این امر آن بود که در بعضی جاها، الکترون‌های برانگیخته به راحتی به لایه حمل و نقل الکترونی منتقل می‌شوند، اما در برخی دیگر، آن‌ها با حفره‌های موجود، نوترکیب می‌شوند.

برای رسیدگی به این چالش، این تیم ماد‌ه‌ای را به‌نام ۱،۳-Propanediamonium (PDA) روی سطح لایه پروسکیت پوشانده است. اگرچه این پوشش فقط چند نانومتر ضخامت داشت، اما تفاوت بزرگی ایجاد کرد.

وقتی پوشش به سلول اضافه شد، تراز پرانرژی بسیار بهتری ایجاد کرد و منجر به پیشرفت بزرگی در کارآیی کلی سلول خورشیدی شد. این تیم از روش‌های استاندارد صنعت برای اندازه‌گیری پایداری سلول جدید استفاده کرد و دریافت که ۸۶٪ از راندمان اولیه خود را پس از ۵۰۰ ساعت کار مداوم حفظ می‌کند.