سلول خورشیدی پروسکایت یا پنل خورشیدی PSC چیست؟

پروسکایت ها (Perovskite ) خانواده ای از مواد هستند که پتانسیل بالایی برای عملکرد بالا و هزینه های تولید پایین در سلول های خورشیدی نشان داده اند و منجر به تولید پنل خورشیدی پروسکایت (Perovskite Solar Cells) شده اند. نام “پروسکایت” از ساختار کریستالی آنها گرفته شده است. این مواد در دیگر فناوری های انرژی مانند پیل های سوختی و کاتالیزورها نیز به کار می روند. پروسکایت هایی که معمولاً در سلول های خورشیدی فتوولتائیک (PV) استفاده می شوند، به طور خاص تر “پروسکایت های هالید-فلزی” نامیده می شوند، زیرا از ترکیبی از یون های آلی، فلزات و هالوژن ها ساخته شده اند. پروسکایت ها در کاربردهای دیگر ممکن است از اکسیژن به جای هالوژن ساخته شوند و معمولاً به طور کامل غیرآلی هستند. پروسکایت های هالید-فلزی، ماده اصلی جذب کننده یا “لایه فعال” در یک سلول خورشیدی پروسکایت یا همان پنل خورشیدی PSC هستند. در این فناوری بالقوه ارزان قیمت، یک لایه نازک از پروسکایت نور را جذب می کند، که ذرات باردار به نام الکترون را برانگیخته می کند. وقتی این الکترون های برانگیخته استخراج می شوند، نیروی الکتریکی تولید می کنند. سلول های پروسکایت به عنوان لایه نازک شناخته می شوند زیرا آنها به لایه های فعال بسیار نازک تری نسبت به PV سیلیکون کریستالی نیاز دارند.

این به دلیل توانایی پروسکایت در جذب موثر رنگ های خاصی از نور امکان پذیر است. لایه های جاذب پروسکایت همچنین می توانند روی لایه جاذب دیگری مانند سیلیکون انباشته شوند تا از رنگ های نوری که در پروسکایت جذب نمی شوند استفاده کنند، و در نتیجه سلولی حاصل شود که از نظر تئوری می تواند کارآمدتر از سلول های ساخته شده از هر یک از این مواد به تنهایی باشد. وقتی دو لایه به این شکل روی هم قرار می گیرند، به آن سلول خورشیدی پشت سر هم گفته می شود. در یک سلول خورشیدی، جاذب پروسکایت به مواد دیگری متصل می شود، که جریان الکتریکی را “مجبور” می کنند تا در یک جهت واحد از طریق لایه جاذب جریان یابد و به داخل اتصالات فلزی برود تا به عنوان جریان الکتریکی جمع آوری شود. سلول های خورشیدی پروسکایت در سال های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته اند و بازدهی آنها به سرعت افزایش یافته است، از گزارش حدود ۳٪ در سال ۲۰۰۹ به بیش از ۲۶٪ امروزه در دستگاه های کوچک (حدود ۰.۱ سانتی متر مربع). سلول های پشت سر هم پروسکایت-سیلیکون به بازدهی نزدیک به ۳۴٪ رسیده اند. در حالی که سلول های خورشیدی پروسکایت در مدت زمان بسیار کوتاهی بسیار کارآمد شده اند، PV پروسکایت هنوز در مقیاس بزرگ تولید نمی شود و قبل از اینکه پروسکایت ها بتوانند به یک فناوری PV تجاری رقابتی تبدیل شوند، باید به تعدادی از چالش ها رسیدگی شود.

فناوری های خورشیدی پروسکایت چگونه ساخته می شوند؟

در زیر یک نمای کلی از مراحل کلی برداشته شده برای تولید سلول ها و ماژول های خورشیدی پروسکایت آمده است. از آنجا که این فناوری هنوز در حال توسعه است، جزئیات هر مرحله می تواند به طور گسترده ای بین گروه های تحقیقاتی متفاوت باشد. این شامل عناصری است که مواد پروسکایت، مونتاژ سلول و ماژول و آزمایشات انجام شده بر روی محصول نهایی را تشکیل می دهند.

ایجاد مواد

نمک های پیش ماده برای تشکیل یک محلول جوهر پروسکایت مخلوط می شوند. در برخی موارد، اگر ماده به صورت بخار رسوب کند، نمک ها تا زمانی که در مرحله بعد به طور همزمان روی یک سلول رسوب نکنند، مخلوط نمی شوند.

تولید سلول

یک لایه فوق العاده نازک از جوهر یا پودر پروسکایت روی یک پایه رسوب می کند. سلول گرم می شود تا لایه تثبیت شود. لایه های مواد دیگر قبل (و زیر) لایه پروسکایت، یا بعد (و روی) لایه پروسکایت رسوب می کنند. این لایه ها به هدایت جریان الکترون ها کمک می کنند.

تکمیل ماژول

اگر قرار باشد یک ماژول ایجاد شود، کانال ها با لیزر حک می شوند تا فیلم به سلول های جداگانه تقسیم شود. کانال های تماس الکتریکی برای اتصال سیم های آن سلول ها به یکدیگر حک می شوند. درزگیر لبه و پوشش برای ضد آب کردن اضافه می شوند.

آزمایش و توسعه

سلول یا ماژول برای سنجش بازدهی و دوام آن آزمایش می شود. از آنجا که پروسکایت ها هنوز در تولید انبوه نیستند، دانش به دست آمده در مورد مواد و خواص الکترونیکی آن برای تحقیقات و توسعه بیشتر مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

اولویتهای تحقیقاتی در پروسکایت ها چیست؟

تاکنون چهار چالش اصلی شناسایی شده است که باید به طور همزمان برای عبور فناوری های پروسکایت از شکاف بین تحقیقات آزمایشگاهی و موفقیت تجاری مورد توجه قرار گیرند: پایداری و دوام سلول. بازدهی تبدیل توان در مقیاس؛ قابلیت تولید؛ و اعتبارسنجی فناوری و قابلیت سرمایه گذاری.

مزایای بالقوه فناوری پنل خورشیدی پروسکایت چیست؟

• پتانسیل کم هزینه: سلول های PV پروسکایت با استفاده از فرآیندهای دمای پایین و با پتانسیل چاپ جوهر افشان لایه های فعال ساخته می شوند. این ممکن است امکان تولید یکپارچه تر شامل مراحل فرآیند کمتر و ارزان تر و هزینه های سرمایه ای کمتر را فراهم کند.  
• استفاده در سلول های PV پشت سر هم: مواد جاذب پروسکایت را می توان روی یک جاذب سیلیکونی انباشته کرد، که می تواند نور را کارآمدتر از هر فناوری به طور جداگانه به نیروی الکتریکی تبدیل کند. همچنین، با تغییر رنگ نور جذب شده توسط پروسکایت (شکاف باند)، پروسکایت ها را می توان به گونه ای مهندسی کرد که با بسیاری از مواد خورشیدی دیگر در سلول ها و ماژول های خورشیدی پشت سر هم جفت شوند.  
• تحمل نقص: به نظر می رسد پروسکایت ها نسبت به نیمه هادی های معمولی دیگر در برابر نقص در ساختار کریستالی خود مقاوم تر هستند.  
• بازدهی بالا: مواد پروسکایت قادر به تبدیل نور به نیروی الکتریکی با بازدهی مشابه سیلیکون هستند.