منبع:news.mit.edu
پروسکایت ها نویدبخش ایجاد پنل های خورشیدی هستند که می توانند به راحتی بر روی اکثر سطوح، از جمله سطوح انعطاف پذیر و بافت، قرار گیرند. این مواد همچنین سبک وزن، ارزان برای تولید و به اندازه مواد فتوولتائیک پیشرو امروزی، که عمدتاً سیلیکون هستند، کارآمد خواهند بود. آنها موضوع تحقیقات و سرمایه گذاری فزاینده ای هستند، اما شرکت هایی که به دنبال بهره برداری از پتانسیل خود هستند، قبل از اینکه سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت بتوانند از نظر تجاری رقابتی شوند، باید برخی از موانع باقی مانده را برطرف کنند.
اصطلاح پروسکایت نه به یک ماده خاص، مانند سیلیکون یا تلورید کادمیوم، دیگر رقبای پیشرو در حوزه فتوولتائیک، بلکه به یک خانواده کامل از ترکیبات اشاره دارد. خانواده پروسکایت مواد خورشیدی به دلیل شباهت ساختاری آن با ماده معدنی به نام پروسکایت نامگذاری شده است که در سال 1839 کشف شد و به نام کانی شناس روسی LA Perovski نامگذاری شد.
پروسکایت معدنی اصلی، که اکسید تیتانیوم کلسیم (CaTiO3) است، دارای یک پیکربندی کریستالی متمایز است. این یک ساختار سه قسمتی دارد که اجزای آن با برچسب های A، B و X شناخته می شوند، که در آن شبکه های اجزای مختلف در هم آمیخته شده اند. خانواده پروسکایتها از ترکیبهای احتمالی زیادی از عناصر یا مولکولها تشکیل شده است که میتوانند هر یک از سه جزء را اشغال کنند و ساختاری شبیه به خود پروسکایت اصلی تشکیل دهند. (بعضی محققین حتی با نامگذاری سایر ساختارهای کریستالی با عناصر مشابه "پروفسکیت" قوانین را کمی خم می کنند، هرچند که این مورد توسط کریستالوگراف ها نادیده گرفته می شود.)
میتوانید اتمها و مولکولها را با برخی محدودیتها با ساختار ترکیب و تطبیق دهید. برای مثال، اگر بخواهید یک مولکول خیلی بزرگ را در ساختار قرار دهید، آن را مخدوش خواهید کرد. در نهایت ممکن است باعث شوید که کریستال سهبعدی از هم جدا شود. تونیو بوناسیسی، استاد مهندسی مکانیک در MIT و مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی فتوولتائیک، میگوید: یک ساختار لایهای دوبعدی، یا ساختار منظم را به طور کامل از دست بدهیم. او میگوید: «پروسکایتها مانند ساختار کریستالی ماجراجویانهای بسیار قابل تنظیم هستند.
این ساختار شبکههای در هم تنیده شامل یونها یا مولکولهای باردار است که دو تای آنها (A و B) دارای بار مثبت و دیگری (X) دارای بار منفی هستند. یونهای A و B معمولاً اندازههای کاملاً متفاوتی دارند و A بزرگتر است.
در دسته کلی پروسکایت ها، انواع مختلفی از جمله پروسکایت های اکسید فلزی وجود دارد که کاربردهایی در کاتالیزور و ذخیره و تبدیل انرژی مانند سلول های سوختی و باتری های فلزی-هوا پیدا کرده اند. به گفته بوناسیسی، اما تمرکز اصلی فعالیت های تحقیقاتی برای بیش از یک دهه بر روی پروسکایت هالید سرب بوده است.
در این دسته، هنوز گسترهای از امکانات وجود دارد، و آزمایشگاهها در سراسر جهان در تلاش برای یافتن تغییراتی هستند که بهترین عملکرد را در کارایی، هزینه و دوام نشان میدهند - که تاکنون چالشبرانگیزترین بوده است. از سه
بسیاری از تیمها نیز بر روی تغییراتی تمرکز کردهاند که استفاده از سرب را حذف میکنند تا از تأثیرات زیستمحیطی آن جلوگیری کنند. با این حال، بووناسیسی خاطرنشان می کند که "به طور مداوم در طول زمان، دستگاه های مبتنی بر سرب همچنان در عملکرد خود بهبود می یابند و هیچ یک از ترکیبات دیگر از نظر عملکرد الکترونیکی به یکدیگر نزدیک نشدند." کار بر روی کاوش جایگزین ها ادامه دارد، اما در حال حاضر هیچ کدام نمی توانند با نسخه های هالید سرب رقابت کنند.
او می گوید که یکی از مزایای بزرگ پروسکایت ها تحمل زیاد آنها در برابر نقص در ساختار است. بر خلاف سیلیکون، که برای عملکرد خوب در دستگاه های الکترونیکی به خلوص بسیار بالایی نیاز دارد، پروسکایت ها می توانند حتی با عیوب و ناخالصی های متعدد به خوبی عمل کنند.
جستجو برای ترکیبهای جدید امیدوارکننده برای پروسکایتها کمی شبیه به جستجوی سوزن در انبار کاه است، اما اخیراً محققان یک سیستم یادگیری ماشینی ارائه کردهاند که میتواند این فرآیند را تا حد زیادی سادهسازی کند. بوناسیسی، که یکی از نویسندگان آن تحقیق بود، میگوید: این رویکرد جدید میتواند به توسعه بسیار سریعتر جایگزینهای جدید منجر شود.
در حالی که پروسکایت ها همچنان امیدوار کننده هستند و چندین شرکت در حال آماده شدن برای شروع تولید تجاری هستند، دوام بزرگترین مانعی است که آنها با آن روبرو هستند. در حالی که پانل های خورشیدی سیلیکونی تا 90 درصد توان خروجی خود را پس از 25 سال حفظ می کنند، پروسکایت ها بسیار سریع تر تخریب می شوند. پیشرفت بزرگی حاصل شده است - نمونههای اولیه فقط چند ساعت دوام آوردند، سپس هفتهها یا ماهها دوام آوردند، اما فرمولهای جدیدتر طول عمر قابل استفادهای تا چند سال دارند که برای برخی از کاربردهایی که طول عمر ضروری نیست مناسب است.
بوناسیسی میگوید از دیدگاه تحقیقاتی، یکی از مزیتهای پروسکایتها این است که ساخت آنها در آزمایشگاه نسبتاً آسان است - ترکیبات شیمیایی به راحتی جمع میشوند. اما این هم نقطه ضعف آنهاست: "مواد در دمای اتاق خیلی راحت کنار هم قرار می گیرند، اما در دمای اتاق نیز خیلی راحت از هم جدا می شوند.
برای مقابله با این موضوع، اکثر محققان بر استفاده از انواع مختلفی از مواد محافظ برای محصور کردن پروسکایت متمرکز شدهاند و از آن در برابر قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت محافظت میکنند. اما دیگران در حال مطالعه مکانیسمهای دقیقی هستند که منجر به این تخریب میشود، به امید یافتن فرمولها یا درمانهایی که ذاتاً قویتر هستند. یک یافته کلیدی این است که فرآیندی به نام autocatalysis تا حد زیادی مقصر این خرابی است.
در اتوکاتالیز، به محض اینکه یک قسمت از ماده شروع به تجزیه می کند، محصولات واکنش آن به عنوان کاتالیزور عمل می کنند تا قسمت های مجاور سازه را تجزیه کنند و یک واکنش فرار شروع می شود. مشکل مشابهی در تحقیقات اولیه روی برخی مواد الکترونیکی دیگر مانند دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED) وجود داشت و در نهایت با افزودن مراحل تصفیه اضافی به مواد خام حل شد، بنابراین راه حل مشابهی ممکن است در مورد بووناسیسی پیشنهاد می کند که پروسکایت ها.
بووناسیسی و همکارانش اخیراً مطالعهای را تکمیل کردند که نشان میدهد زمانی که پروسکایتها به طول عمر قابل استفاده حداقل یک دهه میرسند، به لطف هزینه اولیه بسیار پایینترشان که میتواند از نظر اقتصادی به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در کاربردهای بزرگ، مقرون به صرفه باشد. مزارع خورشیدی در مقیاس
او می گوید که به طور کلی، پیشرفت در توسعه پروسکایت ها چشمگیر و دلگرم کننده بوده است. او میگوید که تنها با چند سال کار، کاراییهای قابل مقایسه با سطوحی را به دست آورده است که تلورید کادمیوم (CdTe)، "که برای مدت طولانیتری وجود داشته، هنوز در تلاش برای رسیدن به آن است." سهولت دستیابی به این عملکردهای بالاتر در این ماده جدید تقریباً گیج کننده است." او میگوید با مقایسه میزان زمان تحقیقاتی صرف شده برای دستیابی به بهبود 1 درصدی در کارایی، پیشرفت در پروسکایتها بین 100 تا 1، 000 برابر سریعتر از CdTe بوده است. او می گوید: «این یکی از دلایل هیجان انگیز بودن آن است.
