سلول های خورشیدی پروسکایتی

سلول های خورشیدی پروسکایتی

درسال های اخیر شاهد گسترش سریع سلول­ ­های خورشیدی نوظهور، که اغلب نسل سوم نامیده می شوند، بوده­ ایم. سلول ­­های خورشیدی بر پایه پروسکایت­ هالید آلی-معدنی، به این دسته تعلق دارند. بازده سلول ­­های خورشیدی با استفاده از این مواد از %۳/۸ در سال ۲۰۰۹ به بازده تایید شده %۱۶/۲ در پایان سال ۲۰۱۳، %۱۷/۹ در سال ۲۰۱۴ و در حال حاضر، طبق گزارش رسمی NREL به بازده %۲۲/۱ رسیده است که این بازده بسیار نزدیک به بازده سلول های خورشیدی سیلیکونی و CIGS می باشد.

لایه جاذب نور در این نوع سلول­ ­های خورشیدی شامل یک ترکیب با ساختار پروسکایت است که معمول­ترین آن یک هیبرید آلی-معدنی سرب (Methylammonium lead iodide perovskite) می باشد. خصوصیات اپتیکی بسیار خوب از جمله ضریب جذب بالا و گاف انرژی مناسب، باعث شده تا این ترکیبات برای کاربردهای جذب نور (Light harvesting) در زمینه فوتو­ولتائیک بسیار مناسب باشند.

متیل آمونیوم سرب یدید یک ترکیب نیمه ­هادی ambipolar است که می تواند هم الکترون­ها و هم حفره­ ها را به الکترود­های جمع ­کننده مربوطه انتقال دهد. به این دلیل است که سلول ­­های خورشیدی پروسکایتی حتی در عدم حضور لایه انتقال­ دهنده حفره و یا رسانای الکترون (Electron conductor) نیز می توانند عمل کنند. خصوصیات منحصر به فرد پروسکایت سرب یدید، همچنین قیمت پایین و سادگی فرایند پذیری موجب شده تا این ترکیب برای کاربرد در سلول ­های خورشیدی نسل سوم با بازده بالا و ارزان، بسیار مطلوب باشد.

ساختار سلول خورشیدی متخلخل پروسکایتی استاندارد (Standard mesoscopic perovskite solar cell) از شیشه پوشش داده شده با FTO، لایه ای از TiO₂ (به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون و داربست)، لایه جاذب نور پروسکایت، لایه انتقال دهنده حفره و الکترود پشتی طلا یا نقره تشکیل­ شده است که این الکترود می­ تواند با ترکیبات دیگر همچون کربن جایگزین شود.

متداول­ترین ماده ­ای که به عنوان انتقال دهنده حفره در سلول­ های خورشیدی پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد ترکیب پلیمری Spiro-OMeTADمی­ باشد. ویژگی­های مورد توجه این ترکیب از جمله دمای انتقال شیشه­ ای مناسب، حلالیت، پتانسیل یونیزاسیون و شفاف بودن در رنج طیف مرئی باعث شده تا این ترکیب گزینه مناسبی برای این کاربردها باشد. به منظور افزایش تحرک پذیری حفره ­ها می­ توان از ترکیبات افزودنی همچون نمکی از لیتیوم (LiTFSI) و ترت-بوتیل پیریدین به همراه این ترکیب استفاده کرد.

پلی تری آریل آمین (PTAA) نیز به عنوان الکترولیت جامد و انتقال دهنده حفره (HTM) در سلول­ های خورشیدی، بخصوص سلول ­های خورشیدی پروسکایتی بکار می­ رود، این ترکیب قابلیت انحلال در حلال های آلی از جمله کلروبنزن و تولوئن را دارد. امروزه ایده ­های جدید و روش­های متنوعی به منظور ساخت سلول­ های خورشیدی با بازدهی بالا به کار گرفته شده و مورد توجه بسیاری از محققین است. این امر نشان دهنده راه طولانی است که تا رسیدن به سلول ­های کاملا بهینه شده، پیش رو می باشد. کیفیت و خلوص مواد اولیه، روشهای لایه نشانی مناسب، ضخامت لایه­ ها و استفاده از حلال­های بدون آب از جمله مواردی هستند که در بدست آوردن بازده بالا و سایر نتایج مطلوب سلول ­های ساخته شده تاثیر بسزایی دارند.

پیش ماده ­های مورد نیاز برای ساخت پروسکایت عبارتند از سرب یدید (PbI₂) متیل آمونیوم یدید (MAI) و دی متیل فرمامید (DMF) که یکی از حلال­ های رایج مورد استفاده در سنتز است. متیل آمونیوم یدید CH₃NH₃I به عنوان قسمت آلی ترکیبات پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد و همراه با ترکیب سرب یدید در حلال DMF بصورت همزمان یا بصورت مجزا در حلال ایزوپروپانول حل شده و سپس با استفاده از روش لایه ­نشانی چرخشی و یا غوطه­ ور کردن، لایه نشانی می­ شود. با توجه به حساسیت مواد پروسکایت به حضور حتی مقادیر کم آب، گاهی نیاز است که DMF آب گیری شود.

از نظر تئوری، بیشنیه بازده سلول خورشیدی پروسکایتی (MAPbI₃) با ضخامت یک میکرون، ۲۶% می باشد که بسیار بالاتر از بازده سلول خورشیدی GaAs با ضخامت مشابه است. این امر نشان دهنده قابلیت بالای تجاری­ سازی این سلول­ها است. سلول ­های خورشیدی پروسکایتی تاکنون عملکرد مناسبی تا ۱۰۰۰ ساعت داشته اند ولی هنوز این نتایج برای تجاری­ سازی سلول­ ها کافی نیست. طول عمر این سلول ­ها باید به بیش از ۲۰ سال برسد. این امر با فهم دقیق مکانیسم عملکرد سلول و عوامل موثر بر آن، فرمولاسیون مناسب جوهرهای پروسکایت جهت لایه نشانی و بهره برداری از شیمی مواد و تکنولوژی­ های جدید به منظور کپسوله کردن سلول ها امکان پذیر خواهد بود. کاهش هزینه مواد و فرایند­های ساخت، چالش مهم دیگری در راه تجاری­ سازی این سلول ­ها است.

برگرفته از سایت:

http://sharifsolar.ir