دانشمندان در سوئیس روش جدیدی را برای بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی پروسکایت کشف کرده‌اند. این روش با محبوس کردن روبیدیوم (Rb) در داخل ماده، اتلاف انرژی را به طور قابل توجهی کاهش داده و بازده را افزایش می‌دهد.
این تیم به رهبری لوکاس فایفر، دکتری، و لیکای ژنگ، دکتری، از مؤسسه فناوری فدرال لوزان سوئیس (EPFL)، موفق شدند با اعمال کشش شبکه، یون‌های روبیدیوم را در چارچوب کریستالی پروسکایت قفل کنند. پروسکایت گروهی از مواد است که به دلیل بازده بالا و هزینه‌های پایین تولید در کاربردهای سلول‌های خورشیدی شناخته شده است.
این رویکرد پیشگامانه با بهره‌گیری از اعوجاج کنترل‌شده در ساختار اتمی، نه تنها مواد با شکاف انرژی وسیع (wide-bandgap یا WBG) را پایدار کرد، بلکه با کاهش بازترکیب غیرتابشی (non-radiative recombination) که یکی از دلایل اصلی اتلاف انرژی است، بازده را نیز بهبود بخشید.
نگاهی دقیق‌تر به این مطالعه
با توجه به اینکه زمین روزانه حدود ۲۰۰,۰۰۰ برابر بیشتر از کل مصرف برق جهان انرژی خورشیدی دریافت می‌کند، انرژی خورشیدی به عنوان یک راه حل کلیدی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی مطرح می‌شود. در حالی که بهبود بازده پنل‌های خورشیدی همچنان یک چالش است، سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSCs) این حوزه را متحول کرده‌اند و بهبودهای سریعی در بازده و پتانسیل تولید مقرون‌به‌صرفه از خود نشان داده‌اند.
با این حال، توسعه PSCها همچنان با مشکلات اتلاف انرژی و پایداری مواجه است، که عمدتاً به دلیل چالش‌های بهینه‌سازی آنها با مواد دارای شکاف انرژی وسیع (WBG) است. این مواد نیمه‌رساناهای کلیدی هستند که نور پرانرژی را جذب کرده و بازده کلی را افزایش می‌دهند.
مواد با شکاف انرژی وسیع که به دلیل جذب نور پرانرژی و عبور دادن نور کم‌انرژی شناخته می‌شوند، دستاوردهای قابل توجهی در جذب انرژی ارائه می‌دهند اما مستعد جدایش فازی (phase segregation) هستند؛ پدیده‌ای که در آن اجزای مختلف ماده به مرور زمان از هم جدا شده و منجر به کاهش عملکرد می‌شود.
در حالی که افزودن روبیدیوم برای کمک به پایداری نیمه‌رساناها به عنوان راه حلی بالقوه برای این مشکل پیشنهاد شده بود، این عنصر اغلب فازهای ثانویه ناخواسته‌ای را تشکیل می‌دهد که توانایی آن برای تقویت ساختار پروسکایت را محدود می‌کند.
با این حال، دانشمندان ترکیب مواد را در فرآیندی که شامل گرمایش سریع و سپس سرمایش کنترل‌شده بود، به دقت تنظیم کردند. این کار باعث ایجاد کشش شبکه شد که از تشکیل فازهای ثانویه ناخواسته توسط روبیدیوم جلوگیری کرد و آن را در ساختار کریستالی یکپارچه نگه داشت.
ارزیابی‌های بیشتر
پژوهشگران برای تأیید رویکرد خود، از اسکن‌های اشعه ایکس برای نظارت بر تغییرات ساختاری، رزونانس مغناطیسی هسته‌ای حالت جامد (NMR) برای ردیابی ادغام روبیدیوم، و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای بررسی رفتار اتمی تحت شرایط مختلف استفاده کردند. این تکنیک‌ها در کنار هم ثابت کردند که کشش شبکه به پایداری روبیدیوم در داخل ماده کمک می‌کند.
آنها همچنین دریافتند که افزودن یون‌های کلرید برای پایداری شبکه با متعادل کردن تفاوت اندازه بین عناصر، حیاتی است. این امر منجر به توزیع یکنواخت‌تر یون‌ها، کاهش نقص‌ها و بهبود پایداری کلی مواد شد.
طبق نتایج، ماده پروسکایت جدید با شبکه کشیده به ولتاژ مدار باز ۱.۳۰ ولت دست یافت که به طور چشمگیری ۹۳.۵ درصد حداکثر نظری آن و یکی از کمترین اتلاف‌های انرژی ثبت‌شده تاکنون در پروسکایت‌های با شکاف انرژی وسیع است.
علاوه بر این، افزایش قابل توجهی در بازده کوانتومی فوتولومینسانس (PLQY) مشاهده شد که نشان می‌دهد ساختار بهبود یافته، نور خورشید را با کارایی بیشتری به الکتریسیته تبدیل می‌کند و اتلاف انرژی بسیار کمی دارد.
پژوهشگران معتقدند که کاهش اتلاف انرژی در سلول‌های خورشیدی پروسکایت می‌تواند راه را برای پنل‌های خورشیدی کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر هموار کند. این امر به ویژه برای سلول‌های خورشیدی تاندم (tandem) که پروسکایت‌ها را با سیلیکون جفت می‌کنند تا خروجی انرژی را به حداکثر برسانند، امیدوارکننده است.
آنها پیشنهاد می‌کنند که تأثیر این یافته‌ها بسیار فراتر از پنل‌های خورشیدی است و فناوری‌هایی مانند LEDها، حسگرها و سایر دستگاه‌های اپتوالکترونیک نیز می‌توانند از آن بهره‌مند شوند. پژوهشگران امیدوارند که کار آنها به تسریع استفاده تجاری از این فناوری‌ها کمک کند و ما را به آینده‌ای نزدیک‌تر کند که با انرژی پاک‌تر و پایدارتر تأمین می‌شود.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.