پروسکایت ها، دسته وسیعی از ترکیبات با نوع خاصی از ساختار کریستالی، مدت هاست که به عنوان جایگزین یا مکمل امیدوارکننده ای برای پانل های خورشیدی سیلیکونی یا تلورید کادمیوم امروزی دیده می شوند. آنها می‌توانند بسیار سبک‌تر و ارزان‌تر باشند و تقریباً روی هر بستری، از جمله کاغذ یا پلاستیک انعطاف‌پذیر که می‌توان برای حمل و نقل آسان آنها را جمع کرد، پوشانده شود.
پروسکایت ها از نظر کارایی در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته قابل مقایسه با سیلیکون هستند که تولید آن هنوز به فرآیندهای طولانی، پیچیده و پر انرژی نیاز دارد. یکی از ایرادات اصلی باقی مانده عمر طولانی است: آنها در عرض چند ماه تا سال ها خراب می شوند، در حالی که پنل های خورشیدی سیلیکونی می توانند بیش از دو دهه دوام بیاورند. و کارایی آنها در مناطق بزرگ ماژول هنوز از سیلیکون عقب است. اکنون، تیمی از محققان MIT و چندین موسسه دیگر راه‌هایی را برای بهینه‌سازی کارایی و کنترل بهتر تخریب با مهندسی ساختار نانومقیاس دستگاه‌های پروسکایت نشان داده‌اند.
این مطالعه بینش های جدیدی را در مورد چگونگی ساخت سلول های خورشیدی پروسکایتی بسیار کارآمد نشان می دهد و همچنین راهنمایی های جدیدی را برای مهندسانی ارائه می دهد که برای عرضه این سلول های خورشیدی به بازار تجاری تلاش می کنند. چیزی که است امروز در مجله شرح داده شده است انرژی طبیعیدر مقاله ای توسط Dane de Quilettes، یک فوق دکترای اخیر MIT که اکنون یکی از بنیانگذاران و مدیر ارشد علمی MIT spinout Optigon، همراه با اساتید MIT، ولادیمیر بولوویچ و مونگی باوندی و 10 نفر دیگر در MIT و در ایالت واشنگتن، پادشاهی بریتانیا و کره است. .
بولوویچ می‌گوید: «ده سال پیش، اگر از ما می‌پرسیدید که بهترین راه‌حل برای توسعه سریع فناوری خورشیدی چیست، پاسخ چیزی است که به خوبی سیلیکون عمل می‌کند، اما ساخت آن بسیار ساده‌تر است». «و قبل از اینکه بدانیم، حوزه فتوولتائیک پروسکایتی ظاهر شد. آنها به اندازه سیلیکون کارآمد بودند و ترسیم آنها به آسانی مانند کشیدن روی یک تکه کاغذ بود. نتیجه هیجان بزرگی در میدان بود.
با این وجود، او می‌گوید: «چالش‌های فنی مهمی در مدیریت و مدیریت این مواد به روش‌هایی وجود دارد که قبلاً انجام نداده‌ایم». اما این وعده آنقدر بزرگ است که صدها محقق در سراسر جهان روی این فناوری کار می کنند. مطالعه جدید به یک جزئیات بسیار کوچک اما کلیدی می پردازد: نحوه “غیرفعال کردن” سطح ماده، تغییر خواص آن به گونه ای که دیگر پروسکایت به سرعت تجزیه نشود یا کارایی خود را از دست ندهد.
بولوویچ با اشاره به مکان‌هایی که مواد مختلف در کنار پروسکایت ردیف می‌شوند تا جریان جریان را از طریق دستگاه تسهیل کنند، می‌گوید: «کلید تشخیص شیمی رابط‌ها است، جایی که پروسکایت با مواد دیگر برخورد می‌کند.
مهندسان روش‌های غیرفعال‌سازی را توسعه داده‌اند، برای مثال با استفاده از محلولی که یک پوشش نازک غیرفعال ایجاد می‌کند. اما آنها درک دقیقی از نحوه عملکرد این فرآیند نداشتند – که برای پیشرفت بیشتر در یافتن پوشش های بهتر ضروری است. بولوویچ می‌گوید: مطالعه جدید «به امکان غیرفعال‌سازی این رابط‌ها می‌پردازد و فیزیک و علم را که در پس چرایی این غیرفعال‌سازی به خوبی کار می‌کند، روشن می‌کند».
این تیم از برخی از قدرتمندترین ابزارهای موجود در آزمایشگاه‌های سراسر جهان برای مشاهده سطح مشترک بین لایه پروسکایت و سایر مواد و نحوه توسعه آنها با جزئیات بی‌سابقه استفاده کردند. بولوویچ می‌گوید: این بررسی دقیق فرآیند غیرفعال‌سازی پوشش و اثرات آن منجر به “روشن‌ترین نقشه راه تاکنون برای آنچه که می‌توانیم برای تنظیم دقیق تراز انرژی در سطح مشترک پروسکایت‌ها و مواد مجاور انجام دهیم” و در نتیجه بهبود عملکرد کلی آنها منجر شده است.
در حالی که بیشتر مواد پروسکایت به شکل یک شبکه کریستالی کاملا مرتب از اتم ها هستند، این نظم در سطح تجزیه می شود. ممکن است اتم‌های اضافی بیرون زده یا حفره‌هایی در جایی که اتم‌ها وجود ندارند وجود داشته باشد و این نقص‌ها باعث کاهش کارایی مواد می‌شود. اینجاست که نیاز به غیرفعال سازی آشکار می شود.
DeQuilettes می‌گوید: «این مقاله اساساً راهنمایی در مورد نحوه تنظیم سطوحی که بسیاری از این نقص‌ها وجود دارد را نشان می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که انرژی روی سطوح هدر نمی‌رود.» او می گوید: «این یک کشف واقعا بزرگ برای این رشته است. این اولین مقاله ای است که نحوه کنترل و مهندسی سیستماتیک میدان های سطحی در پروسکایت ها را نشان می دهد.
روش متداول غیرفعال سازی، شستشوی سطح در محلول نمکی به نام هگزیلامونیوم بروماید است، تکنیکی که چندین سال پیش در MIT توسط Jason Jungwan Yeo PhD ’20، که یکی از نویسندگان این مقاله بود، توسعه یافت که منجر به چندین رکورد جدید جهانی برای کارایی شد. DeQuilettes می گوید: با انجام این کار، “شما یک لایه بسیار نازک در بالای سطح نقص خود تشکیل می دهید، و آن لایه نازک در واقع بسیاری از عیوب را به خوبی غیرفعال می کند.” و سپس برم، که بخشی از نمک است، در واقع به روشی قابل کنترل به لایه سه بعدی نفوذ می کند.» این نفوذ به جلوگیری از اتلاف انرژی از الکترون ها به نقص های سطحی کمک می کند.
این دو اثر تولید شده توسط یک مرحله پردازش، هر دو تغییر مفید را به طور همزمان ایجاد می کنند. دکویلتس می‌گوید: «این واقعاً زیبا است، زیرا معمولاً باید آن را در دو مرحله انجام دهید.
غیرفعال سازی اتلاف انرژی الکترون های سطحی را پس از کوبیدن آنها توسط نور خورشید کاهش می دهد. این تلفات بازده کلی تبدیل نور خورشید به الکتریسیته را کاهش می دهد، بنابراین کاهش تلفات باعث افزایش بازده خالص سلول ها می شود.
او می گوید که این می تواند به سرعت منجر به بهبود کارایی مواد در تبدیل نور خورشید به برق شود. رکوردهای کارایی اخیر برای یک لایه پروسکایت تک، که چندین مورد از آنها در MIT ثبت شده است، از حدود 24 تا 26 درصد متغیر است، در حالی که حداکثر بازده نظری که می توان به آن دست یافت، حدود 30 درصد است.
افزایش چند درصدی ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما در صنعت PV خورشیدی چنین پیشرفت‌هایی تقاضای زیادی دارد. او می گوید: «در صنعت PV سیلیکونی، اگر نیم درصد راندمان به دست آورید، صدها میلیون دلار در بازار جهانی ارزش دارد. تغییر اخیر در طراحی سلول‌های سیلیکونی، که اساساً یک لایه غیرفعال نازک اضافه کرده و نمایه دوپینگ را تغییر می‌دهد، حدود نیم درصد افزایش می‌دهد. در نتیجه، “کل صنعت در حال تغییر است و به سرعت تلاش می کند تا به آنجا برسد.” او می‌گوید که بازده کلی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی طی 30 سال گذشته تنها پیشرفت‌های بسیار کمی داشته است.
راندمان رکوردشکنی برای پروسکایت ها بیشتر در شرایط آزمایشگاهی کنترل شده با نمونه های کوچکی از مواد به اندازه یک تمبر پستی ایجاد شده است. DeQuilettes می گوید: «انتقال عملکرد رکورد به مقیاس تجاری زمان زیادی می برد. یکی دیگر از امیدهای بزرگ این است که با این درک، مردم بهتر بتوانند مناطق وسیعی را برای داشتن این اثرات غیرفعال طراحی کنند.
صدها نوع مختلف نمک غیرفعال و بسیاری از انواع مختلف پروسکایت وجود دارد، بنابراین محققان پیشنهاد می‌کنند که درک اساسی از فرآیند غیرفعال‌سازی ارائه شده توسط این کار جدید می‌تواند به محققان کمک کند تا ترکیب‌های بهتری از مواد را پیدا کنند. او می‌گوید: «روش‌های مختلفی برای طراحی مواد وجود دارد.
بولوویچ می گوید: «من فکر می کنم که ما در آستانه اولین نمایش عملی پروسکایت ها در کاربردهای تجاری هستیم. “و این اولین کاربردها فاصله زیادی با آنچه در چند سال آینده خواهیم داشت خواهد بود.” او اضافه می کند که پروسکایت ها “نباید به عنوان جانشین فتوولتائیک های سیلیکونی دیده شوند. این باید به عنوان یک افزایش در نظر گرفته شود – راه دیگری برای استقرار سریعتر برق خورشیدی.
مایکل مک گی، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه کلرادو که با این تحقیق مرتبط نبود، گفت: «در دو سال گذشته، پیشرفت‌های زیادی در یافتن درمان‌های سطحی که سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را بهبود می‌بخشد، حاصل شده است. بسیاری از تحقیقات تجربی هستند و مکانیسم های پشت این پیشرفت ها به طور کامل شناخته نشده است. این مطالعه دقیق نشان می‌دهد که درمان‌ها نه تنها می‌توانند نقص‌ها را غیرفعال کنند، بلکه می‌توانند یک میدان سطحی ایجاد کنند که حامل‌هایی را که باید در طرف دیگر دستگاه جمع شوند دفع کند. این درک می تواند به بهبود بیشتر رابط ها کمک کند.
این تیم شامل محققانی از موسسه تحقیقاتی فناوری شیمیایی کره، دانشگاه کمبریج، دانشگاه واشنگتن در سیاتل و دانشگاه سونگ کیونکوان در کره بود. این کار توسط تاتا تراست، موسسه MIT برای سربازان نانوتکنولوژی، وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم ایالات متحده پشتیبانی شد.
