شیوه ای تازه برای بهبود عملکرد سلول های خورشیدی - واندر هنگر

به گزارش گروه فناوری خبرنگاران، سلول های فتوولتاییک پروسکایت با داشتن مزایای بزرگی مانند هزینه پایین و بازدهی بالا، جایگزین مناسبی برای نمونه های سیلیکونی در نظر گرفته می شوند. بازدهی تبدیل توان سلول های خورشیدی پروسکایت در یک دهه از 3.8درصد در سال 2009 به 25.2 درصد رسیده است. با این حال، با وجود رشد سریع بازدهی، این سلول ها نقاط ضعفی مانند پایداری و تلفات قابل توجه غیرتابشی- بازترکیب دارند که از رسیدن این سلول ها به پتانسیل ترمودینامیکی کاملشان جلوگیری می نماید.

بازترکیب غیرتابشی یک فرآیند در ابعاد الکترون است که در اثر نقص در لایه پروسکایت سلول های خورشیدی ایجاد می گردد. این نقص ها باعث تداخل در عبور الکترون ها می شوند و باعث تبدیل انرژی به گرما و در پی آن کاهش بازدهی سلول های خورشیدی می شوند.

تلفات غیرتابشی- بازترکیب می تواند به علت عدم مطابقت انرژی در سطح پروسکایت هم رخ دهد. به نام مثال، یک سلول خورشیدی پروسکایت معمول با ساختار p-i-n را در نظر بگیرید، که در آن یک لایه پروسکایت بین یک آند زیرین (نیمه هادی نوع p) و یک لایه انتقال الکترون (نیمه رسانای نوع n) واقع شده است. اگر فیلم پروسکایت دارای یک سطح نوع p باشد، باعث ایجاد بازترکیب غیرتابشی در سراسر سطح تماس با لایه انتقال الکترون می گردد. با این حال، تغییر انرژی سطح از نوع p به نوع n مطابقت بهتری با لایه بالایی انتقال الکترون دارد، و بنابراین انتقال بار و در نتیجه عملکرد دستگاه را بهبود می بخشد.

کینی بائو، نویسنده ارشد مقاله از دانشگاه عادی شرق چین در شانگهای، شرح می دهد: محدود کردن تلفات غیرتابشی-بازترکیبی با انفعال الکترونیکی بالک پروسکایت و نواقص سطح تماس و اصلاح انرژی سطح موارد بسیار حیاتی برای بهبود بازدهی و پایداری سلول های خورشیدی پروسکایت است.

بائو و همکارانش - از جمله محققان چندین دانشگاه چینی دیگر و دانشگاه لینکوپینگ در سوئد - دریافتند که کپسایسین یک ترکیب با خواص جالب الکترونیکی، شیمیایی، نوری و پایدار است که می تواند برای مشکل بازترکیب در سلول های خورشیدی پروسکایت استفاده گردد. در واقع، آن ها اولین گروه تحقیقاتی نیستند که به مطالعه ترکیبات تند در مواد نوری می پردازند. در سال گذشته، یک تیم مکزیکی از فلفل های هابانرو که غنی از آنتی اکسیدان هستند به نام مولکول های تثبیت نماینده در بیوسنتز نانوذرات نقره استفاده کردند.

در تحقیق اخیر، تیم بائو این نظریه را مطرح کردند که این افزودنی پایدار، انرژی سطح لایه فعال پروسکایت را به طور کامل از نوع p، به نوع n تبدیل می نماید. بائو می گوید: سطح نوع n پروسکایت حاصل باعث افزایش استخراج الکترون در سطح تماس فوقانی با لایه انتقال الکترون می گردد و باعث کاهش اتلاف انرژی سطحی به واسطه بازترکیب می گردد. علاوه بر این، کپسایسین می تواند نقص پروسکیت ها را از بین ببرد، بنابراین از بازترکیب به واسطه نقص در سلول هم جلوگیری می نماید.

این تیم در فرایند تحقیقاتشان یک سلول خورشیدی پروسکایت مبتنی بر MAPbI 3 پلی کریستال ساختند و سپس کپسایسین 1/0 درصد وزنی به لایه فعال پروسکایت افزودند. بازدهی تبدیل توان این سلول خورشیدی 21.88 درصد گزارش شده است. علاوه بر این، سلول خورشیدی مذکور پس از 800 ساعت قرار گرفتن در شرایط محیط، بیش از 90٪ از بازده اولیه خود را حفظ کرد، که پایداری قابل توجهی در مقایسه با نمونه های مشابه می باشد. بازدهی سلول خورشیدی مشابه بدون افزودنی 19.1 درصد گزارش شده است و پایداری کمتری هم در مقایسه با نمونه نو دارد.

در مرحله بعدی، محققان قصد دارند بر روی رابطه بین ساختار های شیمیایی کپسایسین، تعامل آن ها با مواد فوتواکتیو و عملکرد فتوولتاییک تمرکز نمایند تا بتوانند بازدهی سلول های پروسکایت را باز هم افزایش دهند. بائو معتقد است که مانع اصلی به جای مانده در راستا تجاری سازی این سلول ها پایداری آن هاست.

بائو بعلاوه تأکید می نماید که استفاده از کپسایسین به نام یک افزودنی در سلول های خورشیدی پروسکایت، یک راهکار بسیار پایدار است که می تواند در آینده برای ساخت پروسکایت های غیرسمی و بدون سرب استفاده گردد. بائو می گوید: منظره بلندمدت ما رسیدن به یک فناوری کاملاً سبز پروسکایت است.