نسل بعدی فناوری خورشیدی با پایداری و بهره وری مورد نیاز برای دگرگونی صنعت انرژی خورشیدی

سلول­ها و ماژول های خورشیدی پروسکایتی

(چپ) واحد مواد انرژی و علوم سطح دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا با سلول­ های خورشیدی و ماژول­ هایی در اندازه ­های متفاوت کار می­کنند. (راست) در این مطالعه، دانشمندان با ماژول­ های خورشیدی با طول و عرض ۵ سانتی متر کار می­کردند. اعتبار: دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا

ماژول­ های خورشیدی که از پروسکایت ساخته شده ­اند قدرت دگرگونی صنعت فناوری خورشیدی را دارند.

دانشمندان دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) ماژول­ های خورشیدی نسل بعدی را ساخته­ اند؛ این ماژول­ ها کارایی بالا و پایداری خوبی دارند. این ماژول­ ها از ماده ­ای به نام پروسکایت ساخته شده ­اند و به همین دلیل می­ توانند کارایی بالای خود را حتی بعد از ۲۰۰۰ ساعت کار حفظ کنند. یافته­ های این دانشمندان، امروز (۲۰ جولای ۲۰۲۰) در روزنامه ­ای برجسته، انرژی طبیعت، چشم انداز روشنی از تجاری­ سازی آن­ها را ترسیم کرد.

پروسکایت ظرفیت ایجاد انقلاب در صنعت فناوری خورشیدی را دارد. به­ دلیل انعطاف پذیری و وزن کم پروسکایت، محققان قول تطبیق پذیری بیشتر را نسبت به سلول­ های سنگین و سخت سیلیکونی که در حال حاضر بازار را قبضه کرده ­اند، دارند. اما دانشمندان باید از موانعی جدی عبور کنند تا بتوانند پروسکایت را به تجاری سازی برسانند.

به گفته پرفسور یابینگ چی، مسئول واحد مواد انرژی و علوم سطح دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا، که این مطالعه را رهبری می­کند «سه موضوع اصلی پیش روی استفاده از پروسکایت وجود دارد: تولید ارزان آن؛ بهره ­وری زیاد؛ عمر طولانی.»

نمودار، ساختار پروسکایت را نشان می­دهد.

سلول­ ها و ماژول­ های خورشیدی پروسکایتی از لایه­ های متعددی ساخته شده­ اند که هر کدام از آن­ها عملکردی متفاوت دارد. لایه ­های برجسته شده با نارنجی توسط دانشمندان اضافه شده یا تغییر داده شده­ اند.  اعتبار: دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا

مواد خام پروسکایت ارزان قیمت است و به انرژی کمی برای تهیه شدن نیاز دارند؛ همین عامل باعث می­ شود که هزینه ­های ساخت سلول­ های خورشیدی پروسکایتی کم باشد. طی بیش از یک دهه، دانشمندان گام­ های بلندی برای بهبود بهره­ وری سلول ­های خورشیدی پروسکایتی در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته برداشتند؛ به این ترتیب سطح بهره وری آن­ها قابل مقایسه با سلول­ های سیلیکونی است.

اما، با افزایش اندازه پروسکایت، از سلول­ های خورشیدی کوچک به ماژول­ های خورشیدی بزرگ تر، سطح بهره­ وری آن­ها به شدت افت می­کند. این موضوع به شدت مشکل زا است چون فناوری خورشیدی در سطح تجاری به حفظ بهره ­وری در پنل­ های خورشیدی که چندین متر ارتفاع دارند، نیاز دارد.

به گفته یکی از نویسنده­ های این مطالعه، دکتر لویس اونو، «افزایش مقیاس بسیار ضروری است؛ هر عیبی در مواد اولیه مشخص می­ شود؛ پس شما به مواد باکیفیت و روش­ های ساخت بهتر نیازمند هستید».

با تحقیقات سخت مشخص شد که ناپایداری پروسکایت یکی دیگر از مشکلات اصلی است. سلول ­های خورشیدی تجاری باید سال­ ها بهره برداری را تحمل کنند؛ ولی در حال حاضر، سلول ­های پروسکایتی به سرعت فرسوده می­ شوند.

ساخت لایه­ ها

گروه پروفسور چی که توسط برنامه اثبات مفهوم، مرکز نوآوری و توسعه فناوری دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا حمایت می­ شوند، با رویکرد جدیدی به مشکلات پایداری و بهره­ وری پرداختند. دستگاه­ های خورشیدی پروسکایتی از چندین لایه تشکیل شده­ اند؛ هر لایه عملکرد مخصوصی دارد. به جای تمرکز بر یک لایه، آن­ها به عملکرد کلی دستگاه و چگونگی تعامل لایه ­ها با یکدیگر توجه کردند.

لایه پروسکایتی فعال که نور خورشید را جذب می­کند، در مرکز دستگاه قرار دارد؛ لایه­ های دیگر آن را احاطه کرده­ اند. زمانی که فوتون نور به لایه پروسکایت ضربه می­زند، الکترون­ های شارژ شده منفی، این انرژی را مهار می­ کنند و به لایه با سطح انرژی بیشتر «جهش» می­کنند؛ به جای این الکترون­ ها، «حفره­ های» شارژ شده مثبت، باقی می­مانند. این شارژها سپس به خلاف جهت منحرف می­شوند و به سمت الکترون­ ها و لایه­ های انتقال حفره در بالا و پائین لایه فعال می­روند. این موضوع باعث ایجاد جریان شارژ (الکتریسیته) می­ شود که می­ تواند دستگاه خورشیدی را از طریق الکترودها ترک کند. دستگاه همچنین توسط لایه­ ای حفاظت شده پوشانده شده است که فرسودگی را کاهش می­دهد و از نشت مواد شیمیایی سمی به محیط جلوگیری می­کند.

در این مطالعه، دانشمندان با ماژول­ های خورشیدی کار کردند که اندازه آن­ها ۲۲.۴ سانتی متر مربع بود.

دانشمندان ابتدا رابط بین لایه فعال پروسکایت  و لایه انتقال الکترون را بهبود بخشیدند؛ این کار با اضافه کردن ماده­ای شیمیایی به نام EDTAK در بین دو لایه انجام گرفت. آن­ها دریافتند که EDTAK از واکنش اکسید الکترون قلع لایه انتقال با پروسکایت لایه فعال جلوگیری می­کند و این موضوع پایداری ماژول خورشیدی را افزایش می­ دهد.

EDTAK همچنین بهره وری ماژول­ های خورشیدی را با دو روش متفاوت بهبود بخشید. روش اول به وسیله پتاسیم داخل EDTAK انجام می­ شود؛ به این ترتیب که پتاسیم به داخل لایه فعال پروسکایت حرکت می­کند و کمبودهای سطح پروسکایت را مرمت می­ کند. این اتفاق از گیر افتادن الکترون و حفره ­های در حال حرکت در این کمبودها جلوگیری می­کند و باعث ساخت بیشتر الکتریسیته می ­شود. EDTAK همچنین با افزایش خواص رسانایی اکسید الکترون قلع لایه انتقال، عملکرد را افزایش می­ دهد؛ این موضوع جمع آوری الکترون ­ها از لایه پروسکایت را آسان­ تر می­کند.

دانشمندان به سازی­ های مشابهی در رابط بین لایه فعال پروسکایت  و لایه انتقال حفره انجام دادند. این بار، آن­ها نوعی پروسکایت به نام EAMA را بین لایه­ ها اضافه کردند که توانایی لایه انتقال حفره، برای دریافت حفره ­ها را افزایش می ­داد.

دستگاهی که EAMA در آن به کار رفته بود همچنین پایداری بهتری را در آزمایش­ های دما و رطوبت از خود نشان داد. این موضوع به دلیل نحوه تعامل EAMA با سطح لایه فعال پروسکایت که شامل موزائیکی از دانه­ های بلور است، اتفاق می­افتد. در دستگاه­ های خورشیدی بدون EAMA، دانشمندان ترک­ه ای شکل گرفته روی سطح لایه فعال را مشاهده کردند که از فاصله­ های بین این دانه­ ها نشات گرفته بودند. بعد از اضافه کردن EAMA، دانشمندان مشاهده کردند که ماده پروسکایت اضافه شده فاصله­ های بین دانه ­ها را پر کرده ­اند و از نفوذ رطوبت جلوگیری می­کنند؛ در نتیجه هیچ ترکی شکل نمی­ گیرد.

این گروه، خود لایه انتقال حفره را هم با مخلوط کردن مقدار کمی بسپار به نام PH3T، اصلاح کردند. این بسپار مقاومت در برابر رطوبت لایه را با اضافه کردن خواص دفع کننده آب ارتقا داد.

این بسپار همچنین یک مشکل اصلی را که قبلا مانع به سازی در جهت پایداری بلند مدت شده بود را رفع کرد. الکترودی که در بالای ماژول خورشیدی پروسکایت قرار دارد از نوارهای باریک طلا ساخته می­شود. اما با گذشت زمان، ذرات ریز طلا از الکترود به لایه انتقال حفره و لایه فعال پروسکایت می­روند. این اتفاق، آسیب برگشت ناپذیری به عملکرد دستگاه می­ رساند.

زمانی که محققان PH3T را اضافه کردند، متوجه شدند که ذرات طلا با سرعت بسیار کمتری وارد دستگاه می­شوند که این اتفاق طول عمر ماژول را بسیار افزایش می­دهد.

به عنوان آخرین به سازی، دانشمندان علاوه بر شیشه، لایه­ ای نازک از بسپار پاریلن را اضافه کردند که پوششی حفاظت کننده را برای ماژول فراهم می­کند. با اضافه کردن این محافظ، ماژول­ های خورشیدی حتی بعد از ۲۰۰۰ ساعت کار مداوم، ۸۶ درصد از کارایی ابتدایی خود را حفظ کردند.

در همکاری با دکتر سید کازائویی از موسسه ملی فناوری و دانش پیشرفته صنعتی (AIST)، گروه دانشگاه تحصیلات تکمیلی موسسه علم و فناوری اوکیناوا ماژول­ های بهبود یافته را آزمایش کردند و بهره­ وری ۱۶.۶ درصد را به دست آوردند؛ مقداری که برای ماژولی خورشیدی در آن اندازه بسیار زیاد است. محققان حالا به دنبال اعمال این تغییرات بر ماژول­ های خورشیدی بزرگ­ تر هستند تا در آینده راه را برای توسعه فناوری خورشیدی تجاری با مقیاس بزرگ را باز کنند.

ارجاع: «رویکردی کل­نگر در ارتباط پایدارسازی ماژول­ های خورشیدی پروسکایتی بهینه با بیش از ۲۰۰۰ ساعت پایداری عملیاتی» از زونگائو لیو، لانگبین کیو، لوئیس کی اونو، سیسی هی، ژانهائو هو، مائووی جیانگ، گوکینگ تانگ، ژیفانگ وو، یان جیانگ، دای یونگ سون، یانگ یانگ دانگ، سید کازائویی و یابینگ چی – ۲۰ جولای ۲۰۲۰، انرژی طبیعت.

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *