بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی نسل آینده با ماده آبی

به گزارش اقتصادنگار به نقل از ایسنا، پژوهشگران چینی با استفاده از «آبی پروس» (Prussian Blue)، نحوه تشکیل مواد پروسکایتی مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی را بهبود بخشیدند و حرکت ذرات بارداری که می‌توانند در طول استفاده به این مواد آسیب برسانند را نیز محدود کردند.

پروسکایت‌ها، موادی هستند که می‌توانند نور خورشید را با بازده بالا به برق تبدیل کنند. این مواد به‌عنوان یکی از فناوری‌های نسل آینده انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته‌اند اما حفظ عملکرد آنها در طول زمان و در ابعاد بزرگ همچنان چالشی در زمینه استفاده از آنها مانده است.

یکی از مشکلات از مرحله تولید آغاز می‌شود. هنگامی که یک لایه نازک پروسکایتی تشکیل می‌شود، بلورهای آن ممکن است به‌صورت نامنظم رشد کنند و نقص‌ها و تنش‌های داخلی ایجاد شود. این نقص‌ها می‌توانند در تولید برق اختلال ایجاد کنند.

مشکل دیگر نیز هنگام کارکرد سلول ایجاد می‌شود. اتم‌های بارداری که «یون» نامیده می‌شوند، هنگام قرار گرفتن ماده در معرض نور، گرما و میدان‌های الکتریکی می‌توانند در آن جابه‌جا شوند. این حرکت ممکن است به تخریب ماده منجر شود.

پژوهشگران روش مبتنی بر «آبی پروس» را به‌گونه‌ای طراحی کردند که هر دو مشکل را به‌طور همزمان برطرف کند. «آبی پروس»، دارای چارچوبی منظم با ساختاری سازگار با ماده پروسکایتی است و پژوهشگران از آن به‌عنوان الگویی برای هدایت تشکیل بلورها استفاده کردند تا بلورها به‌صورت کنترل‌شده‌تر و منظم‌تری رشد کنند.

به جای آنکه تشکیل بلورها در سراسر لایه به‌صورت نامنظم آغاز شود، این چارچوب جایگاه‌هایی را فراهم کرد که رشد منظم‌تر بلورها را تقویت می‌کرد. این روش همچنین تشکیل ساختارهای میانی ناخواسته و نوعی از پروسکایت که نور خورشید را به‌طور موثر به برق تبدیل نمی‌کند، کاهش داد. در نتیجه، لایه با سرعت بیشتری به شکل پایدار و جاذب نور تبدیل شد.

بلورهای حاصل در جهت مشخصی رشد کردند و میزان تنش کششی درون ساختار لایه نیز کاهش یافت. «آبی پروس» همچنین به کنترل یون‌های متحرک کمک کرد. چارچوب این ماده می‌تواند یون‌های دارای بار مثبت را در خود جذب و نگه دارد، در حالی که ساختار خود را حفظ می‌کند. این ویژگی، راهی برای محدود کردن حرکت یون‌ها فراهم می‌کند که در غیر این صورت ممکن است هنگام کارکرد سلول باعث ایجاد یا تشدید نقص‌ها شود.

پژوهشگران برای بررسی این تغییرات از روش‌های پیشرفته پرتو ایکس در «مرکز تابش سنکروترون پکن» استفاده کردند. این اندازه‌گیری‌ها به آنان امکان داد روند تشکیل لایه‌ها را مشاهده و تغییرات اطراف اتم‌های منفرد در چارچوب «آبی پروس» را بررسی کنند.

دستگاه‌های بهبودیافته در سلول‌های کوچک به بازده تبدیل نور خورشید به برق، ۲۶.۹ درصد دست یافتند. بازده در ماژول‌هایی با ابعاد ۶ در ۶ سانتی‌متر به ۲۳.۴ درصد رسید. زیرماژول‌های بزرگ‌تر با ابعاد ۳۰ در ۳۰ سانتی‌متر نیز به بازده تایید شده ۲۲.۹ درصد رسیدند.

این نتیجه در مقیاس بزرگ‌تر اهمیت دارد زیرا عملکرد عالی سلول آزمایشگاهی کوچک همیشه به معنای عملکرد مشابه در یک پنل خورشیدی عملی نیست.

سایت نوریج گزارش کرد، یافته‌ها نشان می‌دهند که «آبی پروس»، می‌تواند هم به رفع نقص‌های ایجاد شده در فرایند تولید و هم به محدود کردن حرکت ناخواسته یون‌ها کمک کند. هرچند نتایج به‌دست‌آمده دوام چندین دهه‌ای این فناوری را در شرایط فضای باز ثابت نمی‌کند، مسیر امیدوارکننده‌ای برای توسعه فناوری پروسکایتی کارآمد و پایدار در ابعاد کاربردی‌ ارائه می‌دهد.

نتایج این پژوهش در نشریه Science منتشر شده است.