مقدمه ای بر سلول خورشیدی پروسکایت - دانش

منبع: cei.washington.edu/

پروسکایت چیست؟

پروسکایت ماده ای است که ساختار کریستالی مشابه اکسید کلسیم اکسید تیتانیوم، اولین کریستال پروسکایت کشف شده را دارد. به طور کلی، ترکیبات پروسکایت دارای فرمول شیمیایی ABX هستند3، که در آن "A" و "B" نشان دهنده کاتیون ها هستند و X آنیونی است که به هر دو پیوند می زند. تعداد زیادی از عناصر مختلف را می توان با هم ترکیب کرد تا ساختارهای پروسکایتی را تشکیل دهند. با استفاده از این انعطاف‌پذیری ترکیبی، دانشمندان می‌توانند کریستال‌های پروسکایت را طوری طراحی کنند که دارای طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های فیزیکی، نوری و الکتریکی باشد. کریستال های پروسکایت امروزه در دستگاه های اولتراسوند، تراشه های حافظه و اکنون - سلول های خورشیدی یافت می شوند.

Two types of atoms, arranged in a cubic pattern and a tetrahedral pattern, around a third type of central atom.

شماتیکی از ساختار کریستالی پروسکایت. (ویکی‌مدیا کامانز)

کاربردهای انرژی پاک پروسکایت ها

تمام سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک برای تبدیل انرژی نور به الکتریسیته به نیمه‌هادی‌ها - موادی که در وسط بین عایق‌های الکتریکی مانند شیشه و رسانای‌های فلزی مانند مس قرار دارند، متکی هستند. نور خورشید الکترون‌های موجود در مواد نیمه‌رسانا را تحریک می‌کند که به الکترودهای رسانا می‌ریزند و جریان الکتریکی تولید می‌کنند.

سیلیکون ماده نیمه رسانای اولیه مورد استفاده در سلول های خورشیدی از دهه 1950 بوده است، زیرا خواص نیمه هادی آن به خوبی با طیف پرتوهای خورشید مطابقت دارد و نسبتاً فراوان و پایدار است. با این حال، کریستال‌های سیلیکونی بزرگی که در پنل‌های خورشیدی معمولی استفاده می‌شوند، نیازمند یک فرآیند ساخت گران قیمت و چند مرحله‌ای هستند که انرژی زیادی مصرف می‌کند. در جستجوی جایگزینی، دانشمندان از قابلیت تنظیم پروسکایت ها برای ایجاد نیمه هادی هایی با خواص مشابه سیلیکون استفاده کرده اند. سلول‌های خورشیدی پروسکایت را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های رسوب‌گذاری افزودنی ساده، مانند چاپ، برای کسری از هزینه و انرژی تولید کرد. به دلیل انعطاف‌پذیری ترکیبی پروسکایت‌ها، می‌توان آنها را طوری تنظیم کرد که به طور ایده‌آل با طیف خورشید مطابقت داشته باشند.

در سال 2012، محققان برای اولین بار کشف کردند که چگونه یک سلول خورشیدی پروسکایتی با لایه نازک پایدار با بازده تبدیل فوتون به الکترون نور بیش از 10٪ با استفاده از پروسکایت هالید سرب به عنوان لایه جذب کننده نور، بسازند. از آن زمان، راندمان تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی سلول های خورشیدی پروسکایت به طور سرسام آوری افزایش یافته است و رکورد آزمایشگاهی 25.2٪ است. محققان همچنین سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را با سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی ترکیب می‌کنند – راندمان رکورد این سلول‌های پشت سر هم «پروسکایت روی سیلیکون» در حال حاضر ۲۹.۱ درصد است (که از رکورد ۲۷ درصد برای سلول‌های سیلیکونی معمولی پیشی می‌گیرد) و به سرعت در حال افزایش است. با این افزایش سریع راندمان سلول، سلول های خورشیدی پروسکایت و سلول های خورشیدی پشت سر هم پروسکایت ممکن است به زودی جایگزین های ارزان و بسیار کارآمدی برای سلول های خورشیدی سیلیکونی معمولی شوند.

A diagram of the layers that make up a perovskite solar cell: top contacts, hole (+ charge) extracting contact, perovskite semiconductor, electron (- charge) extracting contact, transparent conductive material such as FTO, glass.

مقطعی از سلول خورشیدی پروسکایت. (موسسه انرژی پاک)

برخی از اهداف تحقیق فعلی چیست؟

در حالی که سلول‌های خورشیدی پروسکایت، از جمله پروسکایت روی سیلیکون پشت سر هم، توسط ده‌ها شرکت در سراسر جهان تجاری می‌شوند، هنوز چالش‌های علوم پایه و مهندسی وجود دارد که می‌توانند عملکرد، قابلیت اطمینان و قابلیت ساخت آن‌ها را بهبود بخشند.

برخی از محققان پروسکایت با مشخص کردن عیوب در پروسکایت به افزایش راندمان تبدیل ادامه می دهند. در حالی که نیمه هادی های پروسکایتی به طور قابل ملاحظه ای در برابر عیب مقاوم هستند، نقص ها هنوز – به ویژه آنهایی که در سطح لایه فعال رخ می دهند – بر عملکرد تأثیر منفی می گذارند. محققان دیگر در حال بررسی فرمول‌های شیمیایی جدید پروسکایت هستند، هم برای تنظیم خواص الکترونیکی آن‌ها برای کاربردهای خاص (مانند پشته‌های سلول پشت سر هم)، یا بهبود پایداری و طول عمر آن‌ها.

محققان همچنین در حال کار بر روی طرح‌های سلولی جدید، استراتژی‌های کپسوله‌سازی جدید برای محافظت از پروسکایت‌ها در برابر محیط، و درک مسیرهای تخریب اولیه هستند تا بتوانند از مطالعات پیری تسریع شده برای پیش‌بینی اینکه سلول‌های خورشیدی پروسکایتی در پشت بام‌ها دوام می‌آورند، استفاده کنند. برخی دیگر به سرعت در حال بررسی انواع فرآیندهای تولید هستند، از جمله چگونگی تطبیق "جوهرهای پروسکایت" با روش های چاپ محلول در مقیاس بزرگ. در نهایت، در حالی که امروزه بهترین پروسکایت‌ها با مقدار کمی سرب ساخته می‌شوند، محققان همچنین در حال بررسی ترکیب‌های جایگزین و استراتژی‌های کپسوله‌سازی جدید هستند تا نگرانی‌های مرتبط با سمیت سرب را کاهش دهند.

CEI چگونه پروسکایت ها را به پیش می برد؟

کریستال های پروسکایت اغلب دارای نقص هایی در مقیاس اتمی هستند که می تواند بازده تبدیل خورشیدی را کاهش دهد. دیوید جینگر، دانشمند ارشد CEI و پروفسور شیمی، تکنیک‌های «غیرفعال‌سازی» را توسعه داده است و پروسکایت‌ها را با ترکیبات شیمیایی مختلف درمان می‌کند تا این نقایص را التیام بخشد. اما هنگامی که کریستال های پروسکایت در سلول های خورشیدی مونتاژ می شوند، الکترودهای جمع کننده جریان می توانند نقص های اضافی ایجاد کنند. در سال 2019، جینجر و همکاران در Georgia Tech از دفتر فناوری انرژی خورشیدی وزارت انرژی ایالات متحده (SETO) بودجه دریافت کردند تا استراتژی‌های غیرفعال‌سازی جدید و مواد جمع‌آوری بار جدید را توسعه دهند که به سلول‌های خورشیدی پروسکایت اجازه می‌دهد تا به پتانسیل کارایی کامل خود برسند در حالی که همچنان سازگار هستند. با ساخت کم هزینه

پروفسور شیمی دانیل گاملین و گروهش قصد دارند سلول‌های خورشیدی سیلیکونی را با پوشش‌های پروسکایتی اصلاح کنند تا فوتون‌های پرانرژی نور آبی را به طور موثرتر جمع‌آوری کنند و از حد نظری تبدیل 33 درصد برای سلول‌های سیلیکونی معمولی دور بزنند. گاملین و تیمش نقاط کوانتومی پروسکایتی - ذرات ریز هزاران بار کوچکتر از موی انسان - ایجاد کرده‌اند که می‌توانند فوتون‌های پرانرژی را جذب کرده و دو برابر فوتون‌های کم انرژی ساطع کنند، فرآیندی که "برش کوانتومی" نامیده می‌شود. هر فوتون جذب شده توسط یک سلول خورشیدی یک الکترون تولید می کند، بنابراین پوشش نقطه کوانتومی پروسکایت می تواند به طور چشمگیری بازده تبدیل را افزایش دهد.

گیملین و تیمش یک شرکت اسپین آف به نام بلودات فوتونیک تشکیل داده اند تا این فناوری را تجاری کنند. با کمک مالی SETO، Gamelin و BlueDot در حال توسعه تکنیک‌های رسوب‌گذاری برای ایجاد لایه‌های نازک از مواد پروسکایت برای سلول‌های خورشیدی با مساحت بزرگ و برای تقویت سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی هستند.

پروفسور مهندسی شیمی هیو هیل هاوس از الگوریتم های یادگیری ماشین برای کمک به تحقیقات پروسکایت ها استفاده می کند. هیل هاوس و گروهش با استفاده از نورتابی که توسط ویدئوهای پرسرعت ثبت شده است، در حال آزمایش انواع پروسکایت های هیبریدی برای پایداری طولانی مدت هستند. این آزمایش‌ها مجموعه داده‌های عظیمی را تولید می‌کنند، اما با استفاده از یادگیری ماشین، هدف آن‌ها ایجاد یک مدل پیش‌بینی‌کننده تخریب برای سلول‌های خورشیدی پروسکایت است. این مدل می‌تواند به آن‌ها کمک کند ترکیب شیمیایی و ساختار سلول خورشیدی پروسکایت را برای پایداری طولانی‌مدت بهینه کنند - یک مانع کلیدی برای تجاری‌سازی.

در TheWashington Clean Energy Testbeds، یک مرکز آزمایشگاهی با دسترسی آزاد که توسط CEI اداره می‌شود، محققان و کارآفرینان می‌توانند از تجهیزات پیشرفته برای توسعه، آزمایش و مقیاس‌بندی فناوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی پروسکایت استفاده کنند. با استفاده از چاپگر رول برای رول در Testbeds، جوهرهای پروسکایت را می توان در دمای پایین روی بسترهای انعطاف پذیر چاپ کرد. مدیر فنی Testbeds J. دوین مکنزی، استاد علم مواد& مهندسی و مهندسی مکانیک در UW، متخصص مواد و تکنیک‌های تولید با توان بالا و کم کربن است. یکی از فعال‌ترین پروژه‌های گروه او که توسط SETO نیز تامین می‌شود، توسعه ابزارهای درجا است که می‌توانند رشد کریستال‌های پروسکایت را اندازه‌گیری کنند، زیرا آنها به سرعت در حین چاپ رول به رول رسوب می‌کنند. با حمایت مرکز مشترک توسعه و تحقیقات مواد فراوان زمین (JCDREAM)، گروه مک‌کنزی همچنین از چاپگر با وضوح بالا در جهان برای توسعه الکترودهای جدید برای بیرون کشیدن جریان الکتریکی از سلول‌های خورشیدی پروسکایت بدون جلوگیری از ورود نور خورشید به سلول استفاده می‌کند.

مدیر فنی Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie در حال نمایش چاپگر رول به رول چند مرحله ای Testbeds برای وسایل الکترونیکی انعطاف پذیر. (موسسه انرژی پاک)