استفاده از پروسکایت هالید تقویت‌شده به جای سیلیکون می‌تواند دستگاه‌های ارزان‌تری تولید کند که بهتر در برابر نور و گرما مقاومت کنند.
به گزارش سیناپرس همدان، در میان تمام تلاش‌ها برای تبدیل منبع انرژی یک منطقه به منابع تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی هنوز کمی کمتر از 3 درصد از برق تولید شده در ایالات متحده را تشکیل می‌دهد، که تا حدی به دلیل هزینه نسبتاً بالا برای تولید سلول‌های خورشیدی است.
یکی از راه‌های کاهش هزینه تولید، توسعه سلول‌های خورشیدی است که از مواد ارزان‌تر نسبت به مدل‌های مبتنی بر سیلیکون امروزی استفاده می‌کنند. برای دستیابی به این هدف، برخی از مهندسان، هالید پروسکایت، نوعی ماده ساخته شده توسط انسان با کریستال های تکراری به شکل مکعب، کار خود را شروع کردند.
در تئوری، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت را می‌توان با مواد خامی ساخت که هزینه کمتری دارند و نسبت به سیلیکون در دسترس‌تر هستند. آنها همچنین می توانند با استفاده از انرژی کمتر و فرآیند تولید ساده تر تولید شوند.
اما تا کنون، یک مانع این بوده است که پروسکایت با قرار گرفتن در معرض نور و گرما تجزیه می شود، به ویژه برای دستگاه هایی که برای تولید انرژی از خورشید ساخته شده اند مشکل ساز است.
اکنون، یک همکاری تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری UCLA روشی را برای استفاده از پروسکایت در سلول‌های خورشیدی و در عین حال محافظت از آن در برابر شرایطی که باعث خراب شدن آن می‌شود، ایجاد کرده است. در مطالعه‌ای که اخیراً در Nature Materials منتشر شد، دانشمندان مقادیر کمی یون، اتم‌های باردار الکتریکی، فلزی به نام نئودیمیم را مستقیماً به پروسکایت اضافه کردند.
آنها نه تنها دریافتند که پروسکایت افزوده شده در معرض نور و گرما بسیار بادوام تر است، بلکه همچنین نور را به طور موثرتری به الکتریسیته تبدیل می کند.
یانگ یانگ، نویسنده مربوطه، کارول و لارنس ای. تاناس، جونیور، استاد مهندسی در دانشکده مهندسی ساموئلی UCLA و یکی از اعضای موسسه نانوسیستم‌های کالیفرنیا در UCLA، می‌گویند: انرژی تجدیدپذیر بسیار مهم است. پروسکایت یک راه کار عالی خواهد بود زیرا می تواند به گونه ای مانند سیلیکون تولید انبوه شود و همچنین ما افزودنی را شناسایی کرده ایم که مواد مورد استفاده را بهتر می کند.
توانایی هالید پروسکایت در تبدیل نور به الکتریسیته به این دلیل است که مولکول‌های آن شبکه‌ای از مکعب‌ها را تشکیل می‌دهند. این ساختار توسط پیوندهای بین یون هایی با بارهای مخالف به هم متصل می شود. اما نور و گرما باعث می‌شوند یون‌های دارای بار منفی از پروسکایت خارج شوند که به ساختار کریستالی آسیب می‌رساند و خواص تبدیل انرژی ماده را کاهش می‌دهد.
نئودیمیم معمولاً در میکروفون ها، بلندگوها، لیزرها و شیشه های تزئینی استفاده می شود. یون‌های آن دقیقاً به اندازه‌ای هستند که درون یک بلور مکعبی پروسکایت قرار بگیرند و سه بار مثبت را حمل می‌کنند که دانشمندان فرض کردند به نگه داشتن یون‌های دارای بار منفی در جای خود کمک می‌کند.
محققان به ازای هر 10000 مولکول پروسکایت حدود هشت یون نئودیمیم اضافه کردند و سپس عملکرد این ماده را در سلول های خورشیدی آزمایش کردند. یک سلول خورشیدی با استفاده از پروسکایت تقویت شده که با حداکثر توان کار می کند و بیش از 1000 ساعت در معرض نور مداوم قرار می گیرد، حدود 93 درصد از کارایی خود را در تبدیل نور به الکتریسیته حفظ می کند. در مقابل، یک سلول خورشیدی با استفاده از پروسکایت استاندارد نیمی از بازده تبدیل انرژی خود را پس از 300 ساعت در شرایط مشابه از دست داد.
این تیم همچنین بدون هیچ گونه نیروی کششی، نور مستمری را به سلول های خورشیدی می تاباند که تخریب پروسکایت را تسریع می کند. دستگاهی که از پروسکایت با نئودیمیم استفاده می کند پس از بیش از 2000 ساعت 84 درصد بازده تبدیل توان خود را حفظ می کند، در حالی که دستگاهی با پروسکایت استاندارد پس از این مدت زمان هیچ یک از کارایی خود را حفظ نمی کند.
برای آزمایش توانایی این ماده در تحمل دمای بالا، محققان سلول های خورشیدی را با هر دو ماده تا حدود 180 درجه فارنهایت گرم کردند. سلول خورشیدی با پروسکایت تقویت شده پس از بیش از 2000 ساعت حدود 86 درصد کارایی خود را حفظ کرد، در حالی که دستگاه ساخته شده از پروسکایت استاندارد توانایی خود را برای تبدیل نور به الکتریسیته در این مدت از دست داد.
در بسیاری از مطالعات قبلی با هدف دوام بیشتر پروسکایت، محققان با افزودن لایه‌های محافظ به مواد آزمایش کرده‌اند، اما تا حد زیادی شکست خورده است. ایده تقویت خود این ماده از نویسنده اصلی یپین ژائو، محقق پسا دکترا در آزمایشگاه یانگ بود. ژائو گفت که او از تکنیکی الهام گرفته است که معمولاً در تولید نیمه هادی های سیلیکونی استفاده می شود، اضافه کردن مقادیر کمی از ترکیبات دیگر برای اصلاح خواص مواد انجام شد.
ژائو گفت: یون‌ها تمایل دارند مانند اتومبیل‌های بزرگراه از میان پروسکایت حرکت کنند و این باعث شکسته شدن مواد می‌شود. ما با نئودیمیم یک سد را برای کاهش ترافیک و محافظت از مواد شناسایی کردیم.
یانگ گفت این پیشرفت می تواند به رسیدن سلول های خورشیدی پروسکایت به بازار طی دو تا سه سال آینده کمک کند.
منبع: scitechdaily
مترجم: سید سپهر ارومیهء