سرانجام پروسکایت‌ها چه خواهد شد؟

 
پروسکایت ماده ای است که ساختار کریستالی مشابه اکسید کلسیم و اکسید تیتانیوم دارد. به طور کلی، ترکیبات پروسکایت دارای فرمول شیمیایی ABX3 هستند، که در آن “A” و “B” نشان دهنده کاتیون ها هستند و X یونی است که این دو را به هم متصل می کند. تعداد زیادی از عناصر مختلف را می توان برای تشکیل ساختار پروسکایت ترکیب کرد. با استفاده از این انعطاف پذیری ترکیبی، دانشمندان می توانند کریستال های پروسکایت را با طیف وسیعی از خواص فیزیکی، نوری و الکتریکی تطبیق دهند. کریستال های پروسکایت امروزه در دستگاه های اولتراسونیک، تراشه های حافظه و سلول های خورشیدی یافت می شوند.

در سال گذشته تحقیقات زیادی در مورد استفاده از لایه های نازک پروسکایت در تولید انبوه انجام شده است. اگرچه هنوز در مورد اینکه چه مدت طول می کشد تا فناوری پروسکایت سهم بزرگی از بازار PV را به دست آورد، اختلاف نظر وجود دارد، اما انتظار می رود که پروسکایت ها نقش مهمی در آینده ایفا کنند. اولین نمونه تجاری از تکنولوژی پروسکایت احتمالا به‌ شکل یک سلول پشت‌سرهم (دوتایی) همراه با فناوری سیلیکونی (Perovskite-Silicon Tandem Cell) رایج خواهد بود.

بررسی آینده سلول‌های خورشیدی پروسکایت

در حالی که بیشتر جامعه تحقیقاتی بر روی مواد پروسکایت متمرکز شده اند، موسسه Fraunhofer آلمان برای سیستم های انرژی خورشیدی (ISE) تصمیم گرفت عملکرد ترکیبات مختلف سیلیکون + پروسکایت را ارزیابی کند تا مسیر دست‌یابی به دست یابی انرژی بیش‌تر از خورشیدی با هزینه کمتر از مرحله ساخت تا اجرا را شناسایی بکند. در تمام موارد مورد مطالعه، بهبود در هزینه هم تراز شده انرژی در سلول های خورشیدی پشت سر هم مشاهده شد. به گفته محققان، تمام ترکیبات می توانند هزینه انرژی کمتری را در مقایسه با سلول های خورشیدی PERC در کاربردهای معمولی در مقیاس کوچک و بزرگ به دست آورند. آن‌ها امید دارند این کاهش در هزینه هم‌ترازشده انرژی در حدود یازده درصد باشد.

البته رقابت برای انتخاب بهترین سلول سیلیکونی برای این ترکیب همچنان ادامه دارد. تا به حال، بیشتر تحقیقات روی سلول های سیلیکونی هتروجانکشن (Heterojunction Cells) بوده است تا به حداکثر کارایی دست پیدا کنند. در عین حال، فناوری های پیشرفته PERC و TOPCon را می توان به عنوان گزینه مقرون به صرفه تری به ویژه برای شرکت هایی که قبلاً از این فناوری ها در خطوط تولید خود استفاده می کنند، در نظر گرفت. لازم به ذکر است که مدل های اقتصادی توصیف شده در این مطالعه طول عمر خورشیدی را 30 سال در نظر گرفته اند که در حال حاضر برای فناوری پروسکایت امکان پذیر نیست. طبق مطالعه گروه تحقیقاتی، یک پنل خورشیدی فتوولتائیک با سلول های دوگانه باید حداقل به مدت 21 سال کار کند تا هزینه انرژی کمتری نسبت به پنل خورشیدی فتوولتائیک با فناوری PERC معمولی داشته باشد. لذا باتوجه به بازدهی بالای فناوری پروسکایت، توجه به عملکرد طولانی‌مدت‌تر و کیفیت باید مدنظر پژوهش‌ها قرارگیرد.

کاربردهای انرژی پاک پروسکایت ها

تمام سلول های خورشیدی فتوولتائیک برای تبدیل انرژی نور به الکتریسیته به نیمه هادی ها – موادی که فضای بین عایق های الکتریکی مانند شیشه و مس را اشغال می کنند – متکی هستند. نور خورشید الکترون های موجود در مواد نیمه هادی را تحریک می کند که به سمت الکترود رسانا جریان می یابد و جریان الکتریکی ایجاد می کند. سیلیکون اصلی ترین ماده نیمه هادی مورد استفاده در سلول های خورشیدی از دهه 1950 بوده است زیرا خواص نیمه هادی آن به خوبی با طیف تابش خورشیدی مطابقت دارد و به طور کلی پایدار است. در جستجوی جایگزینی، دانشمندان از تنظیم پروسکایت برای ایجاد نیمه هادی هایی با خواص سیلیکونی مانند استفاده کرده اند.

سلول‌های خورشیدی پروسکایت را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های رسوب افزودنی ساده مانند چاپ با هزینه و انرژی تولید کرد. به لطف انعطاف پذیری ترکیب پروسکایت، می توان آن را طوری تنظیم کرد که با طیف خورشید مطابقت داشته باشد. در سال 2012، محققان برای اولین بار چگونگی ساخت یک سلول خورشیدی پروسکایتی نازک و پایدار با بازده تبدیل فوتون به الکترون بیش از 10 درصد را با استفاده از پروسکایت هالید سرب به عنوان لایه جذب کننده نور کشف کردند. از آن زمان، راندمان تبدیل نور خورشید به الکتریسیته در سلول های خورشیدی پروسکایت به طور قابل توجهی افزایش یافته و به رکورد آزمایشگاهی 25.2 درصد رسیده است.

محققان همچنین سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را با سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی ترکیب می‌کنند. راندمان رکورد این سلول‌های پشت سر هم «پروسکایت روی سیلیکون» هم اکنون 29.2% است. با افزایش سریع راندمان سلول، سلول های خورشیدی پروسکایت و سلول های خورشیدی پشت سر هم پروسکایت به زودی به جایگزینی ارزان و بسیار کارآمد برای سلول های خورشیدی سیلیکونی معمولی تبدیل خواهند شد.

کلام آخر

فتوولتائیک پروسکایت مزایای بسیار زیادی مانند هزینه کم و راندمان بالا دارد و جایگزین مناسبی برای نمونه های سیلیکونی محسوب می شود. راندمان تبدیل توان سلول های خورشیدی پروسکایت از 3.8 درصد در سال 2009 به 25.2 درصد در یک دهه افزایش یافته است. با این حال، علیرغم افزایش سریع راندمان، این سلول ها دارای نقاط ضعفی مانند پایداری و تلفات قابل توجه نوترکیبی غیر تشعشعی هستند که از رسیدن این سلول ها به پتانسیل ترمودینامیکی کامل خود جلوگیری می کند.