روشی جدید در فناوری سلول های خورشیدی برای افزایش بازده آنها

در مقاله‌ای که چندی پیش به صورت آنلاین در ژورنال Natural Materials منتشر شده بود، دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا و آزمایشگاه ملی برکلی لاورنس گزارش کرده‌اند که طرحی نو در ساخت سلول‌های خورشیدی به کار بسته‌اند که کارایی متوسط و پایدار آن‌ها را به ۱۸.۴ رسانده است. البته راندمان سلول‌های خورشیدی جدید تا ۲۱.۷ درصد است و حد نهایت آن می‌تواند تا ۲۶ درصد افزایش ‌یابد.

نویسنده‌ی ارشد این مقاله، الکس زتل (Alex Zettl)، پروفسور فیزیک از دانشگاه کالیفرنیا و عضو هیئت‌علمی آزمایشگاه برکلی در این ارتباط می‌گوید:

ما رکورد جدیدی در پارامترهای مختلف موجود در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به ثبت رسانده‌ایم که راندمان، یکی از این پارامترها است. راندمان این سلول‌ها از سلول‌های پروسکایتی معمولی بالاتر و در حدود ۲۱.۷ است و از آن جهت که هنوز در ابتدای راه بهینه‌سازی این سلول‌ها قرار داریم، عدد شگفت‌انگیزی محسوب می‌شود.

اونور اَرگَن که فارغ‌التحصیل رشته‌ی فیزیک از دانشگاه کالیفرنیا و یکی از نویسندگان اصلی مقاله است در این باره می‌گوید:

سلول‌های تولیدی ما این پتانسیل را دارند که به عنوان ارزان‌ترین سلول‌های پروسکایتی موجود در بازار، به سیستم‌های انرژی خورشیدی خانگی متصل شوند.

راندمان سلول‌های خورشیدی پروسکایتی که دانشمندان اخیرا موفق به تولید آن شده‌اند، از راندمان سلول‌ها‌ی خورشیدی پلی کریستالی از جنس سیلیکون که در بازه‌ی ۱۰-۲۰ درصدی است، بالاتر است. امروزه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی به صورت متداول در ابزار الکتریکی و مصارف خانگی استفاده می‌شوند. خالص‌ترین و البته گران‌ترین سلول‌های سیلیکونی در حدود یک دهه قبل رکورد راندمان ۲۵ درصدی به ثبت رسانده‌اند.

موفقیت دانشمندان در تولید این گونه‌ سلول‌های کارآمد، به نحوه‌ی ترکیب دو نوع ماده‌ی سازنده‌ی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی بر‌می‌گردد. هر یک از این مواد به گونه‌ای ساخته شده‌اند که می‌توانند طول‌ موج یا رنگ خاصی از نور خورشید را جذب کنند. اکنون این دو ماده در قالب سلول‌ خورشیدی باند‌گپ (نوار ممنوعه) مدرج به گونه‌ای با یکدیگر ترکیب شده‌اند که می‌توانند تقریبا تمام طیف نور را جذب کنند. تلاش‌های قبلی برای ترکیب مواد سازنده‌ی سلول‌های پروسکایتی شکست خورده بود و دلیل آن این بود که فعالیت الکتریکی هر یک از این مواد با دیگری تداخل دارد، به گونه‌ای که اثر یکدیگر را کاهش می‌دهند. زتل می‌گوید:

این گونه سلول‌های خورشیدی به راحتی کنترل و دست‌کاری می‌شوند. نکته‌ی جالب این است که توانسته‌ایم دو خاصیت بسیار باارزش را برای بهره بردن از ویژگی‌های هر دو با یکدیگر ترکیب کنیم: یکی از آنها باند‌گپ مدرج است که یک روش شناخته‌شده به حساب می‌آید و دیگری هم پروسکایت که ماده‌ای تازه کشف‌شده است و به دلیل راندمان بالایی که دارد در کانون توجه قرار گرفته است.

سلول‌های خورشیدی با پوشش کامل طیف نور

موادی همچون سیلیکون و پروسکایت نیمه‌هادی هستند؛ به این معنی که تنها در صورتی جریان الکتریکی در آن‌ها انتقال می‌یابد که الکترون‌ها با دریافت انرژی -برای مثال از فوتون نور- بتوانند بر انرژی مقیدکننده یا انرژی باندگپ (گاف انرژی) غلبه کنند. این گونه مواد بیشتر طول‌موج‌های خاصی از نور را جذب می‌کنند و در جذب طول‌موج‌های دیگر کارآمد نیستند.

ارگن در این زمینه می‌گوید:

در این مورد، ما تمام طیف نور خورشید، از مادون قرمز گرفته تا طیف مرئی را پوشش می‌دهیم؛ بنابراین محاسبات تئوریک انجام شده در مورد راندمان -نسبت به سلول خورشیدی با یک باند گپ منفرد- باید بسیار بالاتر و در دسترس‌تر باشد، چون ما پوشش طیف نور را به حداکثر مقدار ممکن رسانده‌ایم.

اما پرسشی که شاید مطرح شود، این است که چگونه دانشمندان توانستند دو ماده‌ی سازنده‌ی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را در یک سلول با ساختار متوالی (tandem solar cell) بگنجانند؟ پاسخ به این صورت است: استفاده از لایه‌ای به قطر یک اتم از نیترید بور  با شبکه‌ی هگزاگونال که لایه‌های مختلف پروسکایت را از یکدیگر جدا می‌کند. در این حالت، مواد پروسکایتی از مولکول‌های آلی متیل و آمونیاک ساخته شده‌اند، اما یکی از این مواد حاوی ید و قلع هستند. این در حالی است که دیگری حاوی سرب، ید و برم است. ماده‌‌ی اولی می‌تواند نور با انرژی یک الکترون‌ولت، یعنی نور مادون‌قرمز یا انرژی گرمایی را جذب کند، در حالی که مورد دوم می‌تواند فوتون‌هایی با انرژی ۲ الکترون‌ولت، یا رنگ زرد را جذب کند.

تک لایه‌ی نیترید بور شرایطی را مهیا می‌کند که هر دو ماده می‌توانند در کنار یکدیگر به خوبی کار خود را انجام دهند و نوری را که در دامنه‌ی یک تا دو الکترون‌ولت قرار دارد، به الکتریسیته تبدیل کنند.

ترکیب پروسکایت و نیترید بور بر روی عایق آیروژل، ساخته‌شده از گرافن قرار گرفته‌اند که باعث رشد بیشتر کریستال‌های دانه‌ریز پروسکایت می‌شود. به این ترتیب با جلوگیری از نفوذ رطوبت به داخل سلول خورشیدی، انتقال شارژ الکتریکی به صورت پایدار ادامه پیدا می‌کند. گفتنی است که رطوبت باعث خرابی پروسکایت می‌شود.

 همه‌ی این مواد بین دولایه قرار گرفته‌اند: الکترود طلا در پایین و لایه‌ای از نیترید گالیوم در قسمت بالای سلول که الکترون‌های تولیدشده در داخل سلول را جمع‌آوری می‌کند. کل ضخامت لایه‌ی فعال در فیلم نازکی از سلول‌های خورشیدی، تنها ۴۰۰ نانومتر است. زتل چنین توضیح داده است:

کاری که ما می‌کنیم مانند ساخت یک جاده‌ی باکیفیت است. آیروژل گرافن مانند پایه‌ی سلول است و به عنوان فونداسیون عمل می‌کند، سپس دو ماده‌ی اصلی سازنده‌ی سلول پروسکایتی را داریم که لایه‌ی نازکی از نیترید بور بین آنها قرار گرفته و از اختلاط آن دو جلوگیری می‌کند. لایه نیترید گالیم، در قسمت بالایی سلول نقش آسفالت را ایفا می‌کند.

البته می‌توان لایه‌های بیشتری از پروسکایت را به سلول خورشیدی اضافه کرد که توسط لایه‌های نیترید بور از هم جدا شده‌ باشند. اما محققان می‌گویند از آنجایی که به بالاترین راندمان از طریق جذب تمام طیف نور رسیده‌ایم، این کار لازم نیست. زتل در پایان چنین اظهار کرده است:

افراد بسیاری ایده‌ی استفاده از سلول‌های خورشیدی چاپ رولی (roll-to-roll) را مطرح کرده‌اند. سلول‌های خورشیدی که استفاده از آنها بسیار ساده است و کافی است مانند کاغذ دیواری به روی سطوح چسبانده شوند. حال با ساخت این ماده‌ی جدید می‌توانیم وارد حوزه‌ی تولید انبوه سلول‌های چاپ رولی شویم که بیشتر شبیه رنگ‌آمیزی با اسپری است.