یک لایه نازک، کارایی و پایداری سلول خورشیدی را بهبود داد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، با همکاری مشترک میان پژوهشگران دانشگاه تورنتو، دانشگاه شمال غربی و دانشگاه تولدو، یک سلول خورشیدی یکپارچه تمام پروسکیتی با راندمان بسیار بالا و ولتاژ تنظیم شده، طراحی شد.

این دستگاه نمونه اولیه پتانسیل این فناوری نوظهور فتوولتائیک برای غلبه بر محدودیت‌های کلیدی مرتبط با سلول‌های خورشیدی سنتی سیلیکون بوده و در عین حال هزینه تولید کمتری نیز دارد.

تد سارجنت، استاد مهندسی دانشگاه تورنتو، که به تازگی به گروه شیمی و مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه شمال غربی پیوسته، می‌گوید: «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 اجزاء 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.

چونگ ون لی می‌گوید: «در سلول ما، لایه بالایی پروسکیتی دارای شکاف باند وسیع‌تری است که نور ماوراء 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.

آیدان مکسول می‌گوید: «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 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.