پنل های خورشیدی مدرن 2 تا 4 برابر ارزانتر -یافته‌ها مهندسان را قادر می سازد تا به طور سیستماتیک مؤثرترین مولکول‌ها را برای افزایش طول عمر سلول‌های خورشیدی پروسکایت شناسایی کنند و از اتکا به روش‌های زمان‌بر آزمون و خطا دور شوند.
یک کشف در دانشگاه میشیگان بینش های کلیدی را در مورد جلوگیری از تخریب سریع نیمه هادی های پروسکایت ارائه می دهد . این پیشرفت می تواند منجر به سلول های خورشیدی شود که دو تا چهار برابر ارزان تر از پانل های خورشیدی لایه نازک فعلی هستند.
پروسکایت ها همچنین ممکن است با نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون که در پانل های خورشیدی امروزی رایج هستند ترکیب شوند تا سلول های خورشیدی “پشت سر هم” را ایجاد کنند که می تواند از حداکثر بازده نظری سلول های خورشیدی سیلیکونی فراتر رود.
Xiwen Gong، استادیار مهندسی شیمی دانشگاه UM می گوید: سلول های خورشیدی سیلیکونی عالی هستند زیرا بسیار کارآمد هستند و می توانند برای مدت طولانی دوام بیاورند، اما راندمان بالا هزینه بالایی دارد.
برای ساخت سیلیکون با خلوص بالا، دمای بیش از 1000 درجه سانتیگراد مورد نیاز است. در غیر این صورت، کارایی به خوبی نخواهد بود.”
چالش های سلول های خورشیدی پروسکایت
دمای بالا با هزینه های اقتصادی و زیست محیطی بالاتری همراه است. اما در حالی که پروسکایت ها را می توان در دماهای پایین تری تولید کرد، زمانی که در معرض گرما، رطوبت و هوا قرار می گیرند تخریب می شوند.
در نتیجه، عمر پروسکایت امروزه برای رقابت تجاری در صفحات خورشیدی بسیار کوتاه است.
هدف تحقیقات گونگ ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایتی مقاوم‌تر است، و آخرین مطالعه او که در مجله Matter منتشر شده است نشان می‌دهد که مولکول‌های حجیم «آرام‌کننده نقص» در افزایش پایداری و طول عمر کلی پروسکایت‌ها بهترین هستند.
تیم Xiwen Gong این سه افزودنی مولکولی را طراحی کردند تا بررسی کنند که چگونه اندازه و پیکربندی یک افزودنی بر پایداری لایه‌های پروسکایت تأثیر می‌گذارد، دسته‌ای از مواد که می‌توانند برای ساخت سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا و کم هزینه استفاده شوند.
این افزودنی‌ها می‌توانند از نقایص – که به کارایی سلول‌های خورشیدی آسیب می‌زند – از رشد شبکه‌های کریستالی پروسکایت، که به عنوان مرز دانه‌ها شناخته می‌شوند، جلوگیری کنند.
شبکه پروسکایت به صورت آرایه ای از الماس های زرد نشان داده شده است در حالی که محل های نقص به صورت دایره های چین دار آبی تیره نشان داده شده اند.
خطوط مشکی بریده، پیوندهایی را نشان می دهند که به طور بالقوه می توانند بین پروسکایت و مواد افزودنی ایجاد شوند.
حجیم ترین مولکول بیشترین عیوب را در سطح دانه های پروسکایت پوشش می دهد و در عین حال اندازه کلی دانه ها را در طول فرآیند تولید افزایش می دهد.
دانه های پروسکایت بزرگتر منجر به تراکم کمتر مرزهای دانه در سرتاسر فیلم می شود که تعداد مکان هایی را که ممکن است نقص ایجاد شود کاهش می دهد.
آشنایی با عیوب پروسکایت
کریستال‌های پروسکایت حاوی اتم‌های سرب هستند که به‌طور کامل به اجزای دیگر پروسکایت متصل نیستند.
چنین «محل‌های ناهماهنگ» نقص‌هایی هستند که اغلب بر روی سطوح کریستال و در مرزهای دانه‌ای که در آن شکافی در شبکه کریستالی وجود دارد، یافت می‌شوند.
این عیوب مانع از حرکت الکترون ها می شود و به تجزیه مواد پروسکایت سرعت می بخشد.
مهندسان از قبل می‌دانند که اختلاط مولکول‌های آرام‌کننده معیوب در پروسکایت‌ها می‌تواند به قفل کردن سرب هماهنگ‌نشده کمک کند و به نوبه خود از تشکیل سایر نواقص در دماهای بالا جلوگیری کند.
اما تا به حال، مهندسان دقیقا نمی دانستند که چگونه یک مولکول معین بر استحکام سلول های پروسکایت تأثیر می گذارد.
هونگکی کیم، محقق سابق فوق دکترا در مهندسی شیمی و یکی از اولین نویسندگان این مطالعه، گفت: «ما می‌خواستیم بفهمیم چه ویژگی‌هایی روی مولکول‌ها به طور خاص پایداری پروسکایت را بهبود می‌بخشد.
تحقیق در مورد مواد افزودنی پروسکایت
برای بررسی این مشکل، تیم گونگ سه ماده افزودنی با طیفی از اشکال و اندازه‌ها ایجاد کرد و آنها را به لایه‌های نازکی از کریستال‌های پروسکایت اضافه کرد که می‌تواند نور را جذب کرده و آن را به الکتریسیته تبدیل کند.
هر افزودنی حاوی بلوک‌های ساختمانی شیمیایی یکسان یا مشابه بود که اندازه، وزن و آرایش را به ویژگی‌های اصلی متمایزکننده آنها تبدیل می‌کرد.
کارلوس آلخاندرو فیگوروا مورالس، دانشجوی دکترا، یک نمونه لایه نازک پروسکایت را در یک طیف‌سنج قرار می‌دهد که ویژگی‌های تابش نور پروسکایت‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.
تغییرات در نحوه انتشار نور لایه‌های پروسکایت هنگام ساخت با مولکول‌های مختلف افزودنی می‌تواند نشان دهد که چه تعداد نقص در پروسکایت وجود دارد. اعتبار: ژنگتائو هو، آزمایشگاه گونگ، دانشگاه میشیگان.
سپس، تیم بررسی کردند که افزودنی‌های مختلف چقدر با پروسکایت‌ها تعامل دارند و در نتیجه بر شکل‌گیری نقص در فیلم‌ها تأثیر می‌گذارند.
مولکول‌های بزرگتر از نظر جرمی بهتر به پروسکایت می‌چسبند، زیرا محل‌های اتصال بیشتری داشتند که با کریستال‌های پروسکایت تعامل دارند. در نتیجه، آنها در جلوگیری از شکل گیری عیوب بهتر عمل می کنند.
اما بهترین افزودنی ها نیز نیاز به اشغال فضای زیادی داشتند. مولکول‌های بزرگ اما لاغر منجر به دانه‌های پروسکایت کوچک‌تر در طول فرآیند تولید شدند.
دانه‌های کوچک‌تر ایده‌آل نیستند زیرا سلول‌های پروسکایتی با مرز دانه‌های بیشتر یا مناطق بیشتری برای ایجاد نقص ایجاد می‌کنند.
در مقابل، مولکول‌های حجیم باعث ایجاد دانه‌های پروسکایت بزرگتر شدند که به نوبه خود تراکم مرزهای دانه را در فیلم کاهش داد.
تأثیر اندازه و شکل افزودنی
حرارت دادن لایه‌های پروسکایت تا بیش از 200 درجه سانتیگراد تأیید کرد که افزودنی‌های حجیم به فیلم‌ها کمک می‌کنند تا رنگ سیاه و سفید مشخصه خود را حفظ کنند و نقص‌های ساختاری کمتری ایجاد کنند.
کارلوس آلخاندرو فیگوئروا مورالس، دکترا، گفت: “هم اندازه و هم پیکربندی هنگام طراحی افزودنی ها مهم هستند، و ما معتقدیم که این فلسفه طراحی می تواند در فرمول های مختلف پروسکایت برای بهبود بیشتر طول عمر سلول های خورشیدی پروسکایت، دستگاه های ساطع کننده نور و آشکارسازهای نوری اجرا شود.”
مرجع: “طراحی مولکولی غیرفعال کننده های نقص برای فیلم های پروسکایت متال هالید پایدار حرارتی” توسط هونگکی کیم، کارلوس آ. فیگوروآ مورالس، سیجون سونگ، ژنگتائو هو، نانسی مویانجا، سایوینیت پنوکولا، تونی ژنگ، زاخاری پیزو، کاریسا اس. ییم، آندری لنرت، نیکلاس رولستون و شیون گونگ، 9 ژانویه 2024، موضوع .
DOI: 10.1016/j.matt.2023.12.003
