بهبود سلول‌های خورشیدی نسل جدید با بازطراحی در ابعاد اتمی

سلول‌های خورشیدی انرژی خورشید را جمع‌آوری می‌کنند و جانشینی برای منابع انرژی تجدید ناپذیر همچون سوخت‌های فسیلی هستند. با این حال، آن‌ها با چالش‌هایی مانند فرایندهای تولید گران و بهره‌وری کم (مقدار نور خورشید تبدیل‌شده به انرژی قابل استفاده) روبه‌رو هستند.

مواد جاذب نور به نام پروسکایت‌های‌ هالید سرب آلی در نوع جدیدی از سلول‌های خورشیدی که بسیار امیدبخش هستند، استفاده می‌شوند. این سلول‌های خورشیدی نسبت به سلول‌های خورشیدی سنتی سیلیکونی، ارزان‌تر و منعطف‌تر هستند.

با این حال، سلول‌های پروسکایتی در شرایط طبیعی، به‌سرعت تجزیه می‌شوند و عملکرد آن‌ها طی چندین روز کاهش می‌یابد. به همین دلیل است که در حال حاضر از آن‌ها به‌صورت گسترده استفاده نمی‌شود.

پیش از این، تیمی از پژوهشگران دپارتمان شیمی ایمپریال کشف کردند که این فروپاشی به سبب تشکیل سوپراکسیدها است که به مواد پروسکایت حمله می‌کنند. وقتی نوری که به سلول‌ها می‌تابد، الکترون‌ها را آزاد می‌کند؛ این الکترون‌ها با اکسیژن هوا واکنش می‌دهند و پروکسیدها را ایجاد می‌کنند.

حال این تیم در مطالعه‌ای که در نیچر کامینیوکیشنز منتشر شده است، چگونگی شکل‌گیری پروکسیدها و حمله‌ی آن‌ها به مواد پروسکایت را مشخص کرده‌اند. آن‌ها راه‌حل‌هایی هم برای این مسئله پیشنهاد داده‌اند.

این تیم در دانشگاه بث با دکتر کریستوفر ایمز و پروفسور سیف الاسلام کار کرده‌اند. آن‌ها دریافتند فضاهایی در ساختار پروسکایت وجود دارد که معمولا با مولکول‌های یدید اشغال می‌شود. این فضاها به شکل‌گیری سوپراکسیدها کمک می‌کنند. یدید یکی از اجزای پروسکایت است، اما نقص‌هایی در ساختار پروسکایت وجود دارد که باعث می‌شود مولکول یدید در جای خود حضور نداشته باشند. این نقطه‌های خالی در تشکیل سوپراکسیدها استفاده می‌شوند.

سلول خورشیدی تازه (سمت چپ) و تجزیه شده (سمت راست)

این تیم دریافت که قرار دادن ماده در معرض یدید اضافه در هنگام ساخت، پایداری ماده را افزایش می‌دهد؛ اما مهندسی نقص‌های ساختار می‌تواند راه حل دائمی و بهتری باشد. نیکلاس آریستیدو، نویسنده‌ی اول این پژوهش از دپارتمان شیمی امپریال، می‌گوید:

پس از تشخیص نقش نقص‌های یدید در تولید سوپراکسیدها، می‌توانیم این حفره‌ها را با یون‌های ید اضافه پر کنیم و در نتیجه پایداری ماده را افزایش دهیم. بدین نحو، راهی جدید برای بهینه‌سازی مواد و افزایش پایداری آن‌ها با کنترل نوع و چگالی نقص‌ها باز می‌شود.

دکتر سیف حق، پژوهشگر ارشد در دپارتمان شیمی امپریال، اضافه می‌کند:

اکنون مسیری برای درک این روند در ابعاد اتمی فراهم کرده و طراحی قطعات با پایداری بهبودیافته را ممکن ساخته‌ایم.

در حال حاضر، تنها راه حفاظت سلول‌های پروسکایت از تجزیه توسط هوا و نور، قرار دادن آن‌ها در محفظه‌ی شیشه‌ای است. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی از موادی انعطاف‌پذیر ساخته و به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در شرایط متفاوت و گسترده‌ای از آن‌ها استفاده شود. بنابراین قرار دادن آن‌ها در محفظه‌ای شیشه‌ای، تنها عملکرد آن‌ها را محدود می‌کند. دکتر حق می‌گوید:

محفظه‌ی شیشه‌ای، حرکت سل‌ها را محدود می‌کند، به وزن آن‌ها می‌افزاید و هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. بهبود مواد سلول‌های پروسکایتی بهترین راه حل موجود است.

تیم پژوهشی امید دارند که بتوانند پایداری سلول‌ها را در دنیای واقعی آزمایش کنند. در این آزمایش‌ها سلول‌ها در مجاورت ترکیبی از اکسیژن و رطوبت قرار خواهند گرفت.