پروسکایت ها جایگزین سیلیکون در پنل های خورشیدی

پروسکایت ها به طور گسترده ای به عنوان پلتفرم احتمالی سلول های خورشیدی نسل بعدی دیده می شوند که به دلیل فرآیند ساخت آسان تر، هزینه کمتر و انعطاف پذیری بیشتر، جایگزین سیلیکون می شوند. این کریستال غیرمعمول و پیچیده چیست و چرا چنین پتانسیل بالایی دارد؟ اعتبار: خوزه لوئیس اولیوارس و کریستین دانیلوف، MIT

این خانواده از ترکیبات کریستالی در خط مقدم تحقیقات به دنبال جایگزینی برای سیلیکون هستند.

پتانسیل پروسکایت ها در جایگزینی سیلیکون

پروسکایت ها پتانسیل بالایی برای استفاده در پنل های خورشیدی را دارند که می توانند به راحتی بر روی اکثر سطوح، از جمله سطوح انعطاف پذیر و بافت، به کار گرفته شوند. همچنین تولید این مواد ارزان و سبک وزن، به اندازه مواد مورد استفاده در پنل های فتوولتائیک امروزی، که عمدتاً سیلیکون هستند، کارآمد خواهند بود. با توجه به پتانسیل عظیم آنها، آنها موضوع تحقیق و سرمایه گذاری فزاینده ای هستند. با این حال، شرکت هایی که به دنبال بهره برداری از پتانسیل خود هستند، قبل از اینکه سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت بتوانند از نظر تجاری رقابتی شوند، باید موانع مهمی را برطرف کنند.

سیلیکون و تلورید کادمیوم، دو ماده پر استفاده دیگر در حوزه فتوولتائیک، به یک نوع ماده خاص اشاره دارند، ولی اصطلاح پروسکایت به یک خانواده کامل از ترکیبات اشاره دارد. خانواده پروسکایت از مواد خورشیدی به دلیل شباهت ساختاری آن با ماده معدنی به نام پروسکایت نامگذاری شده است که در سال 1839 کشف شد و به نام L.A. Proovski، کانی شناس روسی نامگذاری شد.

ساختار پروسکایت ها چگونه تشکیل شده است؟

اکسید تیتانیوم کلسیم (CaTiO3)، پروسکایت معدنی اصلی، دارای یک پیکربندی کریستالی متمایز است. این یک ساختار سه قسمتی دارد که اجزای آن با برچسب های A، B و X شناخته می شوند، که در آن شبکه های اجزای مختلف در هم آمیخته شده اند. خانواده پروسکایت‌ها از ترکیب‌های احتمالی زیادی از عناصر یا مولکول‌ها تشکیل شده است که می‌توانند هر یک از سه جزء را اشغال کنند و ساختاری شبیه به خود پروسکایت اصلی تشکیل دهند. (بعضی از دانشمندان حتی با نامگذاری ساختارهای کریستالی دیگر با عناصر مشابه پروسکایت قوانین را کمی تغییر می دهند، اگرچه این امر توسط کریستالوگراف ها مورد مخالفت قرار می گیرد.)

می‌توانید اتم‌ها و مولکول‌ها را با برخی محدودیت‌ها با ساختار ترکیب و مطابقت دهید. به عنوان مثال، اگر بخواهید یک مولکول بسیار بزرگ را در ساختار قرار دهید، آن را مخدوش خواهید کرد. تونیو بوناسیسی، استاد مهندسی مکانیک در MIT و مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی فتوولتائیک، می‌گوید در نهایت، ممکن است باعث جدا شدن کریستال سه‌بعدی به ساختار لایه‌ای دوبعدی یا از دست دادن ساختار منظم آن شوید. او می‌گوید: پروسکایت‌ها مانند ساختار کریستالی ماجراجویانه‌ای بسیار قابل تنظیم هستند.

این ساختار شبکه های در هم تنیده از یون ها یا مولکول های باردار تشکیل شده است که دو تای آنها (A و B) بار مثبت دارند و دیگری (X) بار منفی دارند. به طور معمول، یون‌های A و B اندازه‌های کاملاً متفاوتی دارند و یون های A بزرگ‌تر هستند.

در دسته کلی پروسکایت ها، انواع مختلفی از جمله پروسکایت های اکسید فلزی وجود دارد که کاربردهایی در کاتالیزور و ذخیره و تبدیل انرژی مانند سلول های سوختی و باتری های فلزی-هوا پیدا کرده اند. به گفته بوناسیسی، اما تمرکز اصلی فعالیت های تحقیقاتی برای بیش از یک دهه بر روی پروسکایت هالید سرب بوده است.

در این دسته، هنوز گستره‌ای از امکانات وجود دارد، و آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان در تلاش برای یافتن تغییراتی هستند که بهترین عملکرد را در کارایی، هزینه و پایداری نشان می‌دهند – که تا کنون چالش‌برانگیزترین بوده است.

بسیاری از تیم‌ها نیز بر روی تغییراتی تمرکز کرده‌اند که استفاده از سرب را حذف می‌کنند تا از تأثیرات زیست‌محیطی آن جلوگیری کنند. با این حال، بووناسیسی خاطرنشان می‌کند که «به طور مداوم در طول زمان، دستگاه‌های مبتنی بر سرب همچنان در عملکرد خود بهبود می‌یابند و هیچ یک از ترکیب‌های دیگر از نظر عملکرد الکترونیکی به یکدیگر نزدیک نشده‌اند». کار بر روی کاوش جایگزین ها ادامه دارد، اما در حال حاضر، هیچ کدام نمی توانند با نسخه های هالید سرب رقابت کنند.

به گفته بوناسیسی، یکی از مزایای بزرگ پروسکایت ها تحمل زیاد آنها در برابر نقص در ساختار است. بر خلاف سیلیکون که برای عملکرد خوب در دستگاه های الکترونیکی به خلوص بسیار بالایی نیاز دارد، پروسکایت ها حتی با عیوب و ناخالصی های متعدد می توانند به خوبی عمل کنند.

پایداری پروسکایت ها : چالش دانشمندان!

جستجو برای ترکیب‌های جدید امیدوارکننده برای پروسکایت‌ها کمی شبیه به جستجوی سوزن در انبار کاه است، اما اخیراً محققان یک سیستم یادگیری ماشینی ارائه کرده‌اند که می‌تواند این فرآیند را تا حد زیادی ساده‌سازی کند. بوناسیسی، که یکی از نویسندگان آن تحقیق بود، می‌گوید: این رویکرد جدید می‌تواند به توسعه بسیار سریع‌تر جایگزین‌های جدید منجر شود.

در حالی که پروسکایت ها همچنان امیدوار کننده هستند و چندین شرکت در حال آماده شدن برای شروع تولید تجاری هستند، پایداری آن بزرگترین مانعی است که آنها با آن روبرو هستند. در حالی که پانل های خورشیدی سیلیکونی تا 90 درصد توان خروجی خود را پس از 25 سال حفظ می کنند، پروسکایت ها بسیار سریع تر تخریب می شوند اما تاکنون پیشرفت بزرگی حاصل شده است: نمونه‌های اولیه فقط چند ساعت دوام آوردند، سپس هفته‌ها یا ماه‌ها دوام آوردند، اما فرمول‌های جدیدتر طول عمر قابل استفاده‌ را تا چند سال افزایش داده است.

بوناسیسی می‌گوید از دیدگاه تحقیقاتی، یکی از مزیت‌های پروسکایت‌ها این است که ساخت آنها در آزمایشگاه نسبتاً آسان است – ترکیبات شیمیایی به راحتی جمع می‌شوند. اما این نیز نقطه ضعف آنهاست: این مواد به راحتی در دمای به هم می‌پیوندند اما،در همین شرایط نیز به راحتی از هم جدا می شوند. آسان بیا، آسان برو!

برای مقابله با این موضوع، اکثر محققان بر استفاده از انواع مختلفی از مواد محافظ برای محصور کردن پروسکایت متمرکز شده‌اند و از آن در برابر قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت محافظت می‌کنند. اما دیگران در حال مطالعه مکانیسم‌های دقیقی هستند که منجر به این تخریب می‌شود، به امید یافتن فرمول‌ها یا درمان‌هایی که ذاتاً قوی‌تر هستند. یک یافته کلیدی این است که فرآیندی به نام اتوکاتالیز (autocatalysis) تا حد زیادی باعث این خرابی است.

در اتوکاتالیز، به محض اینکه یک قسمت از ماده شروع به تجزیه می کند، محصولات واکنش آن به عنوان کاتالیزور عمل می کنند تا قسمت های مجاور سازه را تجزیه کنند و یک واکنش فرار شروع می شود. مشکل مشابهی در تحقیقات اولیه روی برخی مواد الکترونیکی دیگر مانند دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED) وجود داشت و در نهایت با افزودن مراحل تصفیه اضافی به مواد خام حل شد.

آخرین نتایج تحقیقات بر روی پروسکایت ها

بووناسیسی و همکارانش اخیراً مطالعه‌ای را تکمیل کردند که نشان می‌دهد زمانی که پروسکایت‌ها به طول عمر قابل استفاده حداقل یک دهه می‌رسند، به لطف هزینه اولیه بسیار پایین‌تر آن‌ها، که می‌تواند از نظر اقتصادی به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در مزارع خورشیدی بزرگ، مقرون به صرفه باشد.

او می گوید که به طور کلی، پیشرفت در توسعه پروسکایت ها چشمگیر و دلگرم کننده بوده است. او می‌گوید که تنها با چند سال کار، کارایی‌های قابل مقایسه با سطوحی از کادمیوم تلورید (CdTe) را به دست آورده است، «که برای مدت طولانی‌تری وجود داشته، هنوز در تلاش برای رسیدن به آن است». سهولت دستیابی به این عملکردهای بالاتر در این ماده جدید تقریباً حیرت‌انگیز است. او می‌گوید با مقایسه میزان زمان تحقیقاتی صرف شده برای دستیابی به بهبود 1 درصدی در کارایی، پیشرفت پروسکایت‌ها بین 100 تا 1000 برابر سریع‌تر از CdTe بوده است. او می گوید: «این یکی از دلایل هیجان انگیز بودن آن است.

منبع : Scitechdaily