سلول‌های خورشیدی جدید می‌توانند دستگاه‌ها را از نور داخلی تغذیه کنند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک تیم بین‌المللی به رهبری محققان UCL سلول‌های خورشیدی جدید و بادوامی را توسعه داده‌اند که قادر به برداشت کارآمد انرژی از نور داخلی هستند، به این معنی که دستگاه‌هایی مانند صفحه‌کلید، کنترل از راه دور، آلارم‌ها و حسگرها به زودی می‌توانند بدون باتری باشند.
این تیم از ماده‌ای به نام پروسکایت استفاده کرد که به طور فزاینده‌ای در پنل‌های خورشیدی فضای باز استفاده می‌شود و برخلاف پنل‌های خورشیدی سنتی مبتنی بر سیلیکون، پتانسیل استفاده در فضای داخلی را دارد و همچنین می‌توان ترکیب آن را طوری تنظیم کرد که طول موج‌های خاص نور داخلی را بهتر جذب کند.
با این حال، یکی از معایب اصلی پروسکایت این است که در ساختار بلوری خود دارای نقص‌های کوچکی است - که به عنوان "تله" شناخته می‌شوند - که می‌تواند باعث شود الکترون‌ها قبل از اینکه انرژی آنها مهار شود، گیر بیفتند. این نقص‌ها نه تنها جریان الکتریسیته را قطع می‌کنند، بلکه به مرور زمان در تخریب ماده نیز نقش دارند.
پنل‌های سلول‌های خورشیدی آنها برای نور داخلی بهینه شده‌اند. در مطالعه‌ای که در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است، این تیم توضیح می‌دهد که چگونه از ترکیبی از مواد شیمیایی برای کاهش این نقص‌ها استفاده کرده‌اند و به طور بالقوه پنل‌های خورشیدی پروسکایت داخلی را قابل استفاده کرده‌اند.
این تیم می‌گوید فتوولتائیک‌های پروسکایتی که آنها مهندسی کرده‌اند، حدود شش برابر کارآمدتر از بهترین سلول‌های خورشیدی داخلی موجود در بازار هستند. آنها از سایر دستگاه‌های پروسکایتی بادوام‌تر هستند و می‌توانند به جای فقط چند هفته یا چند ماه، حدود پنج سال یا بیشتر مورد استفاده قرار گیرند.
مجتبی عبدی جلبی، نویسنده ارشد (دانشیار موسسه کشف مواد UCL)، گفت: میلیارد‌ها دستگاه که به مقادیر کمی انرژی نیاز دارند، به تعویض باتری متکی هستند - یک رویه ناپایدار. این تعداد با گسترش اینترنت اشیا افزایش خواهد یافت.
«در حال حاضر، سلول‌های خورشیدی که از نور داخل ساختمان انرژی می‌گیرند، گران و ناکارآمد هستند. سلول‌های خورشیدی پروسکایت مخصوص داخل ساختمان ما می‌توانند انرژی بسیار بیشتری نسبت به سلول‌های تجاری جمع‌آوری کنند و از نمونه‌های اولیه دیگر بادوام‌تر هستند. این فناوری راه را برای الکترونیک‌هایی که از نور محیطی موجود در زندگی ما تغذیه می‌شوند، هموار می‌کند.»
ما در حال حاضر در حال مذاکره با شرکای صنعتی برای بررسی استراتژی‌های افزایش مقیاس و استقرار تجاری هستیم.
«مزیت سلول‌های خورشیدی پروسکایت به طور خاص این است که کم‌هزینه هستند - آنها از موادی استفاده می‌کنند که در زمین فراوان هستند و فقط به پردازش ساده‌ای نیاز دارند. آنها را می‌توان به همان روش روزنامه چاپ کرد.
یکی از مشکلات سلول‌های خورشیدی پروسکایت اولیه، وجود تراکم بالای تله‌ها در ماده و رابط‌های آن با لایه‌های جمع‌آوری‌کننده بار بود که جریان بار را مختل می‌کرد و باعث اتلاف انرژی به صورت گرما می‌شد.
سلول‌های خورشیدی برای روشنایی داخلی بهینه شده‌اند. منبع: UCL James Tye تیم تحقیقاتی یک ماده شیمیایی به نام کلرید روبیدیم را معرفی کرد که رشد همگن‌تری از بلور‌های پروسکایت را با حداقل کرنش‌ها تشویق می‌کرد و چگالی این تله‌ها را کاهش می‌داد.
دو ماده شیمیایی دیگر برای تثبیت دو نوع یون (یون‌های یدید و برمید) اضافه شدند و از مهاجرت آنها به فاز‌های مختلف و تشکیل خوشه‌ها جلوگیری کردند، که این امر با مختل کردن جریان بار از طریق ماده، عملکرد سلول خورشیدی را به مرور زمان کاهش می‌دهد.
سیمینگ هوانگ، نویسنده‌ی اصلی و دانشجوی دکترا در موسسه‌ی کشف مواد UCL، گفت: سلول خورشیدی با این نقص‌های کوچک مانند کیکی است که به قطعات خرد شده است. ما با ترکیبی از استراتژی‌ها، این کیک را دوباره سرهم کرده‌ایم و اجازه داده‌ایم که بار الکتریکی راحت‌تر از آن عبور کند. سه ماده‌ای که اضافه کردیم، اثر هم‌افزایی داشتند و اثری ترکیبی ایجاد کردند که از مجموع اجزا بیشتر است.
این تیم دریافت که سلول‌های خورشیدی آنها ۳۷.۶٪ از نور داخلی (در ۱۰۰۰ لوکس - معادل یک دفتر کار با نور کافی) را به برق تبدیل می‌کنند، که یک رکورد جهانی برای این نوع سلول خورشیدی بهینه شده برای نور داخلی است، یعنی با شکاف باند ۱.۷۵ eV (الکترون ولت) .
محققان همچنین سلول‌های خورشیدی را آزمایش کردند تا ببینند که چقدر در طول زمان در برابر تخریب مقاومت می‌کنند.
پس از گذشت بیش از ۱۰۰ روز، سلول‌های تازه مهندسی‌شده ۹۲٪ از عملکرد خود را حفظ کردند، در مقایسه با یک دستگاه کنترل (پروسکایت که نقص‌های آن کاهش نیافته بود) که تنها ۷۶٪ از عملکرد اولیه خود را حفظ کرده بود.
در یک آزمایش سخت شامل ۳۰۰ ساعت نور شدید مداوم در دمای ۵۵ درجه سانتیگراد، سلول‌های خورشیدی جدید ۷۶٪ از عملکرد خود را حفظ کردند، در حالی که دستگاه کنترل به ۴۷٪ کاهش یافت.
این تیم شامل محققانی از بریتانیا، چین و سوئیس بود.
این کار توسط موسسه مواد پیشرفته هنری رویس پشتیبانی شد. این تیم از شورای تحقیقات علوم مهندسی و فیزیک بریتانیا (EPSRC) و وزارت امنیت انرژی و خالص صفر، و همچنین از UCL، شورای بریتانیا و دانشگاه ساوت بنک لندن بودجه دریافت کرد.
نمک‌های آلی آمونیوم N، N- دی‌متیل‌اکتیل‌آمونیوم یدید (DMOAI) و فنتیل‌آمونیوم کلرید (PEACl).
شکاف نواری نشان دهنده حداقل انرژی مورد نیاز برای تحریک یک الکترون است به طوری که از طریق سلول خورشیدی به بار الکتریکی بپیوندد، شکاف نواری ۱.۷۵ eV برای جذب طول موج‌های نور با انرژی بالاتر، که عمدتاً مرئی هستند و از منابع داخلی ساطع می‌شوند، تنظیم شده است.