شیوه‌ای جدید برای بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، سلول‌های فتوولتاییک پروسکایت با داشتن مزایای بزرگی مانند هزینه پایین و بازدهی بالا، جایگزین مناسبی برای نمونه‌های سیلیکونی در نظر گرفته می‌شوند. بازدهی تبدیل توان سلول‌های خورشیدی پروسکایت در یک دهه از ۳٫۸درصد در سال ۲۰۰۹ به ۲۵٫۲ درصد رسیده است. با این حال، با وجود رشد سریع بازدهی، این سلول‌ها نقاط ضعفی مانند پایداری و تلفات قابل توجه غیرتابشی- بازترکیب دارند که از رسیدن این سلول‌ها به پتانسیل ترمودینامیکی کاملشان جلوگیری می‌کند.

بازترکیب غیرتابشی یک فرآیند در ابعاد الکترون است که در اثر نقص در لایه پروسکایت سلول‌های خورشیدی ایجاد می‌شود. این نقص‌ها باعث تداخل در عبور الکترون‌ها می‌شوند و باعث تبدیل انرژی به گرما و به دنبال آن کاهش بازدهی سلول‌های خورشیدی می‌شوند.

تلفات غیرتابشی- بازترکیب می‌تواند به دلیل عدم مطابقت انرژی در سطح پروسکایت نیز رخ دهد. به عنوان 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 (نیمه‌هادی نوع p) و یک لایه انتقال الکترون (نیمه رسانای نوع n) قرار دارد. اگر فیلم پروسکایت دارای یک سطح نوع p باشد، باعث ایجاد بازترکیب غیرتابشی در سراسر سطح تماس با لایه انتقال الکترون می‌شود. 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 می‌بخشد.

کینی بائو، نویسنده ارشد مقاله از دانشگاه عادی شرق چین در شانگهای، توضیح می‌دهد: 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 سلول‌های 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 می‌تواند برای مشکل بازترکیب در سلول‌های خورشیدی پروسکایت استفاده شود. در واقع، آن‌ها اولین گروه تحقیقاتی نیستند که به مطالعه ترکیبات تند در مواد نوری می‌پردازند. در سال گذشته، یک تیم مکزیکی از فلفل‌های هابانرو که غنی از آنتی‌اکسیدان هستند به عنوان مولکول‌های تثبیت‌کننده 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 می‌کند. بائو می‌گوید: «سطح نوع n پروسکایت حاصل باعث افزایش استخراج الکترون در سطح تماس فوقانی با لایه انتقال الکترون می‌شود و باعث کاهش اتلاف انرژی سطحی به واسطه بازترکیب می‌شود. علاوه بر این، کپسایسین می‌تواند نقص پروسکیت‌ها را از بین ببرد، بنابراین از بازترکیب به واسطه نقص در سلول هم جلوگیری می‌کند.»

این تیم در روند تحقیقاتشان یک سلول خورشیدی پروسکایت مبتنی بر MAPbI ۳ پلی‌کریستال ساختند و سپس کپسایسین ۱/۰ درصد وزنی به لایه فعال پروسکایت افزودند. بازدهی تبدیل توان این سلول خورشیدی ۲۱٫۸۸ درصد گزارش شده است. علاوه بر این، سلول خورشیدی مذکور پس از ۸۰۰ ساعت قرار گرفتن در شرایط محیط، بیش از ۹۰٪ از بازده اولیه خود را حفظ کرد، که پایداری قابل توجهی در مقایسه با نمونه‌های مشابه می‌باشد. بازدهی سلول خورشیدی مشابه بدون افزودنی ۱۹٫۱ درصد گزارش شده است و پایداری کمتری هم در مقایسه با نمونه جدید دارد.

در مرحله بعدی، محققان قصد دارند بر روی رابطه بین ساختار‌های شیمیایی کپسایسین، تعامل آن‌ها با مواد فوتواکتیو و عملکرد فتوولتاییک تمرکز کنند تا بتوانند بازدهی سلول‌های پروسکایت را باز هم افزایش دهند. بائو معتقد است که مانع اصلی باقی‌مانده در مسیر تجاری‌سازی این سلول‌ها پایداری آن‌هاست.

بائو همچنین تأکید می‌کند که استفاده از کپسایسین به عنوان یک افزودنی در سلول‌های خورشیدی پروسکایت، یک راه حل بسیار پایدار است که می‌تواند در آینده برای ساخت پروسکایت‌های غیرسمی و بدون سرب استفاده شود. بائو می‌گوید: «چشم‌انداز بلندمدت ما رسیدن به یک فناوری کاملاً سبز پروسکایت است.»