گروه صنعتی بهین در این مقاله شما را با یکی از اخرین دستاوردهای پژوهشی در حوزه سلولهای خورشیدی آَشنا
خواهد کرد.
محققان دانشگاه EPFL با استفاده از کرنش شبکه‌ای – تغییر شکل جزئی در ساختار اتمی که به حفظ روبیدیوم در
جای خود کمک می‌کند – راهی برای کاهش چشمگیر اتلاف انرژی و افزایش راندمان سلولهای خورشیدی
پروسکایت (Perovskite)پیدا کرده‌اند. انرژی خورشیدی یکی از امیدوارکننده‌ترین راه‌حل‌ها برای کاهش
وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی است. اما افزایش راندمان پنل‌های خورشیدی یک چالش مداوم است. سلولهای
خورشیدی پروسکایت (PSC) با ارائه پیشرفت‌های سریع در راندمان و پتانسیل تولید کم‌هزینه، انقلابی در این زمینه
بوده‌اند. با این حال، آنها هنوز از اتلاف انرژی و مشکلات پایداری عملیاتی رنج می‌برند.
چالش پروسکایت‌های با شکاف باند وسیع
سلولهای خورشیدی پروسکایت، به ویژه آنهایی که در پیکربندی‌های پشت سر هم استفاده می‌شوند، برای به
حداکثر رساندن راندمان، به مواد با شکاف باند وسیع (WBG) – نیمه‌رساناهایی که نور با انرژی بالاتر ("آبی‌تر")
را جذب می‌کنند در حالی که اجازه عبور نور با انرژی کمتر (قرمزتر) را می‌دهند – متکی هستند. با این حال،
فرمولاسیون‌های پروسکایت با شکاف باند وسیع اغلب از تفکیک فاز رنج می‌برند، جایی که اجزای مختلف با
گذشت زمان از هم جدا می‌شوند و این باعث کاهش عملکرد می‌شود. یک راه حل، افزودن روبیدیم (Rb) برای
تثبیت مواد WBG است، اما یک مشکل وجود دارد: Rb تمایل به تشکیل فازهای ثانویه ناخواسته دارد که اثربخشی
آن را در تثبیت ساختار پروسکایت کاهش می‌دهد.
راه حل EPFL: کرنش برای نجات
دانشمندان به رهبری لوکاس فایفر و لیکای ژنگ در گروه مایکل گرتزل در EPFL اکنون راهی برای مجبور کردن
Rb به ماندن در جایی که مورد نیاز است، پیدا کرده‌اند. آنها با استفاده از "کرنش شبکه‌ای" فیلم پروسکایت، موفق
شدند یون‌های Rb را در ساختار بگنجانند که از تفکیک فاز ناخواسته جلوگیری می‌کند. این رویکرد جدید نه تنها
ماده WBG را تثبیت می‌کند، بلکه با به حداقل رساندن نوترکیبی غیر تابشی – که عامل اصلی اتلاف انرژی است –
راندمان انرژی آن را نیز بهبود می‌بخشد. محققان از کرنش شبکه‌ای – یک اعوجاج کنترل شده در ساختار اتمی –
برای قفل نگه داشتن Rb در شبکه پروسکایت استفاده کردند. آنها این کار را با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی و تنظیم
دقیق فرآیند گرمایش و سرمایش انجام دادند. گرمایش سریع و به دنبال آن سرمایش کنترل‌شده، کرنش القا می‌کند و
از تشکیل فازهای ثانویه ناخواسته توسط روبیدیم جلوگیری کرده و از یکپارچه ماندن آن در ساختار اطمینان حاصل
می‌کند.
تأیید و تنظیم دقیق رویکرد
برای تأیید و درک این اثر، تیم پژوهشی از پراش اشعه ایکس برای تجزیه و تحلیل تغییرات ساختاری، رزونانس
مغناطیسی هسته‌ای حالت جامد برای ردیابی قرارگیری اتمی Rb و مدل‌سازی محاسباتی برای شبیه‌سازی نحوه
تعامل اتم‌ها در شرایط مختلف استفاده کرد. این تکنیک‌ها تصویر دقیقی از چگونگی تثبیت Rb توسط کرنش ارائه
دادند. علاوه بر کرنش شبکه، آنها همچنین دریافتند که معرفی یون‌های کلرید با جبران تفاوت‌های اندازه بین عناصر
ترکیب شده، کلید تثبیت شبکه است. این امر توزیع یکنواخت‌تر یون‌ها، کاهش نقص‌ها و بهبود پایداری کلی مواد را
تضمین می‌کند.
نتیجه: ماده‌ای یکنواخت‌تر با نقص‌های کمتر و ساختار الکترونیکی پایدارتر. ترکیب پروسکایت جدید، که با Rb
تثبیت‌شده و کرنش بهبود یافته است، به ولتاژ مدار باز ۱.۳۰ ولت دست یافت – یعنی مقدار چشمگیر ۹۳.۵٪ از حد
نظری آن. این نشان دهنده یکی از کمترین تلفات انرژی ثبت شده تاکنون در پروسکایت‌های WBG است. علاوه بر
این، ماده اصلاح‌شده، بازده کوانتومی فوتولومینسانس (PLQY) بهبود یافته‌ای را نشان داد که نشان می‌دهد نور
خورشید با کارایی بیشتری به برق تبدیل می‌شود.
تأثیر بر انرژیهای تجدیدپذیر
کاهش اتلاف انرژی در سلولهای خورشیدی پروسکایت می‌تواند منجر به پنل‌های خورشیدی کارآمدتر و
مقرون‌به‌صرفه‌تر شود. این امر به‌ویژه برای سلولهای خورشیدی پشت سر هم، که در آنها پروسکایت‌ها با
سیلیکون جفت می‌شوند تا حداکثر بهره‌وری را داشته باشند، بسیار مهم است. این یافته‌ها همچنین پیامدهایی فراتر
از پنل‌های خورشیدی دارند – پروسکایت‌ها برای LEDها، حسگرها و سایر کاربردهای اپتوالکترونیکی مورد
بررسی قرار می‌گیرند. با تثبیت پروسکایت‌های WBG، تحقیقات EPFL می‌تواند به تسریع تجاری‌سازی این
فناوری‌ها کمک کند.
منبع: وب سایت دانشگاه EPFL
https://actu.epfl.ch/news/strain-trick-improves-perovskite-solar-cells-effic/
گروه صنعتی بهین با حمایت از پروژه های پژوهشی در حوزه انرژی خورشیدی و انرژیهای تجدیدپذیر، امادگی خود
را برای همکاری با دانشگاهها و موسسات پژوهشی اعلام می دارد.
