سلول‌های خورشیدی پروسکایت؛ عملکرد، قابلیت حیات و تاثیر جهانی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، به نقل از آی ای؛ سلول‌های خورشیدی پروسکایت به عنوان یک پیشرفت در فتوولتائیک و جایگزین امیدوارکننده‌ای برای فناوری‌های خورشیدی سنتی ظهور کردند. پیشرفته‌ترین آزمایشگاه‌های جهان در حال آزمایش این سلول‌های خورشیدی نسل بعدی هستند که قادر به جذب طیف وسیع تری از نور خورشید هستند. چرا؟

زیرا برخلاف تولید انرژی بر و گران قیمت مرتبط با پانل‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی (c-Si)، سلول‌های پروسکایت از پروسکایت هالید متال استفاده می‌کنند. این مواد فرآیند‌های تولید ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تری را ممکن می‌سازند و تلاش‌های تحقیقاتی جهانی قابل توجهی را برای افزایش کارایی، دوام و دوام تجاری آنها انجام داده‌اند. با بهره وری بالقوه‌ای که به سرعت از ۴ ٪ به بیش از ۳۰ ٪ تکامل یافته است، سلول‌های خورشیدی پروسکایت می‌توانند به طور قابل توجهی بر آینده انرژی‌های تجدید پذیر تأثیر بگذارند.

برای آشنایی با فناوری خورشیدی پروسکایت و اینکه چگونه در حال حاضر تغییر عمده‌ای در فناوری خورشیدی ایجاد کرده است، ادامه مطلب را بخوانید.

ترکیب و عملکرد سلول‌های خورشیدی پروسکایت

پروسکایت‌ها مواد همه کاره‌ای هستند که به دلیل انعطاف پذیری ترکیبی استثنایی خود شناخته می‌شوند و آنها را برای کاربرد‌های مختلف با تکنولوژی بالا فراتر از سلول‌های خورشیدی، مانند تراشه‌های حافظه و دستگاه‌های اولتراسوند مناسب می‌کند. مواد پروسکایتی مانند هالید سرب متیل آمونیوم و هالید سرب سزیم غیر آلی به دلیل مقرون به صرفه بودن بسیار جذاب هستند. امکان چاپ این مواد در دما‌های پایین امکان تولید ماژول‌های خورشیدی سبک‌تر و نازک‌تر را فراهم می‌کند.

نوآوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی پشت سر هم پروسکایت-سیلیکون، این فناوری را با ترکیب نقاط قوت پروسکایت و سیلیکون کریستالی، جذب طیف وسیع‌تری از نور خورشید و افزایش چشمگیر کارایی کلی، بیشتر می‌کنند.

استفاده بالقوه آنها شامل فتوولتائیک‌های یکپارچه ساختمان مانند پنجره‌ها و دیوار‌ها تا منسوجات و بسته‌های برق خود شارژ می‌شود.

سلول‌های خورشیدی پروسکایت بر اساس یک اصل کار می‌کنند که در آن نور خورشید با یک لایه نازک از مواد پروسکایتی بر پایه هالید قلع یا سرب ترکیبی آلی- معدنی در تعامل است. این برهمکنش جفت الکترون-حفره ایجاد می‌کند.

الکترون‌ها به سمت لایه انتقال الکترون (ETL) و سوراخ‌ها به سمت لایه انتقال دهنده حفره (HTL) حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. یکی از چالش‌های به حداکثر رساندن کارایی این سلول‌ها، به حداقل رساندن بازترکیب سطحی است، جایی که الکترون‌ها زودتر از موعد با حفره‌ها ترکیب می‌شوند و خروجی الکتریکی را کاهش می‌دهند.

حدود ۹۰ درصد از پنل‌های خورشیدی از نیمه هادی‌های سیلیکونی استفاده می‌کنند که نمی‌توان آنها را در یک حمام محلول پردازش کرد، بدون اینکه نقصی ایجاد شود که عملکرد را مختل کند. در مقابل، نیمه هادی‌های پروسکایتی بسیار مقاوم در برابر خطا هستند و می‌توان آنها را به جوهر نیمه هادی تبدیل کرد و آنها را برای ایجاد سلول‌های خورشیدی سبک و انعطاف پذیر مناسب می‌کند.

این سازگاری برای کاربرد‌های حرکتی مانند هواپیما‌های بدون سرنشین و سقف خودرو ایده آل است. با این حال، در حالی که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با طول عمر ۲۵ تا ۳۰ سال و حداقل تخریب (حدود ۰.۸ ٪ سالانه) قوی هستند، سلول‌های خورشیدی پروسکایت با چالش‌های بلندمدت بازده و توان خروجی مواجه هستند.

موانع پذیرش گسترده سلول‌های خورشیدی پروسکایت

علیرغم ویژگی‌های امیدوارکننده، سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSC) با چالش‌های قابل توجهی روبرو هستند که مانع از بقای تجاری و پذیرش گسترده آنها در بازار در مقایسه با فناوری سنتی فتوولتائیک می‌شود. دوام یکی از نگرانی‌های اصلی است، زیرا PSC‌ها معمولاً به دلیل عدم پایداری آنها در شرایط دنیای واقعی، تنها ۲.۵ سال عمر می‌کنند. این تخریب در درجه اول به دلیل عوامل محیطی مانند رطوبت و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش است. محققان در حال بررسی استراتژی‌های مختلف برای افزایش پایداری و افزایش طول عمر این سلول‌ها از طریق تکنیک‌های کپسوله سازی پیشرفته و نوآوری‌های مواد هستند.

در حالی که در شرایط کنترل شده با رکورد‌های بیش از ۳۰% چشمگیر است، کارایی همچنان نیازمند بهبود در کاربرد‌های دنیای واقعی است. اطمینان از اینکه PSC‌ها کارآمد هستند، اما همچنین بادوام و مقیاس پذیر هستند برای پذیرش آنها ضروری است. فرآیند تولید نیز با موانعی همراه است. اکثر تکنیک‌های تولید در مقیاس آزمایشگاهی برای PSC‌ها به راحتی به تولید انبوه تبدیل نمی‌شوند. توسعه روش‌های کم‌هزینه و با کارایی بالا که عملکرد سلول‌ها را در مقیاس حفظ می‌کند، بسیار مهم است.

تاثیرات زیست محیطی چالش مهم دیگری است. بسیاری از مواد پروسکایت از سرب استفاده می‌کنند که نگرانی‌هایی را در مورد سمیت و ایمنی محیطی ایجاد می‌کند. تلاش برای حذف یا محصور کردن ایمن این مواد خطرناک برای پیشبرد PSC‌ها به سمت استفاده تجاری گسترده‌تر حیاتی است. علاوه بر این، پروتکل‌های آزمایش موجود برای PSC‌ها باید سازگارتر باشند و ارزیابی پایداری و عملکرد بلندمدت را پیچیده‌تر کنند. ایجاد روش‌های تست استاندارد برای پیشرفت تحقیقات و اطمینان از مقایسه قابل اعتماد طول عمر و کارایی ضروری است.

مزایای سلول‌های خورشیدی پروسکایت

به بیش از ۳۰ درصد نرخ تبدیل دست یافت که از حداکثر ۲۵ درصد سیلیکون سنتی فراتر رفت.‌

می‌توان در دمای اتاق با استفاده از تکنیک‌های چاپ یا پوشش ساده تولید کرد که هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.

ماهیت نازک و سبک آنها، آنها را برای کاربرد‌های متنوع، از جمله دستگاه‌های قابل حمل و مصالح ساختمانی یکپارچه، مناسب می‌کند.

راندمان بالاتر را در دما‌های بالا حفظ می‌کند، ایده آل برای آب و هوای گرم که در آن پانل‌های سنتی عملکردی کمتر از حد مطلوب دارند.

نوآوری‌هایی مانند طرح‌های پشت سر هم پروسکایت-سیلیکون، تولید انرژی را افزایش می‌دهد و در عین حال مصرف مواد را کاهش می‌دهد و به اهداف پایداری جهانی کمک می‌کند.

معایب سلول‌های خورشیدی پروسکایت

حساس به عوامل محیطی مانند رطوبت، اکسیژن و اشعه ماوراء بنفش، که اگر به درستی کپسوله نشوند، می‌توانند به سرعت سلول‌ها را تخریب کنند.

استفاده از سرب مسائل بهداشتی و ایمنی زیست محیطی قابل توجهی را ایجاد می‌کند و تحقیق در مورد جایگزین‌های غیر سمی را ضروری می‌کند.

انتقال از تولید آزمایشگاهی در مقیاس کوچک به تولید در مقیاس بزرگ، چالش‌هایی را در حفظ کیفیت و کارایی ایجاد می‌کند.

یکپارچگی سازه ممکن است در دما‌های بالا به خطر بیفتد و استفاده از آنها را در اقلیم‌های خاص بدون راه حل‌های موثر مدیریت گرما محدود کند.

پیشرفت‌ها و همکاری‌های جهانی

پیشرفت‌های اخیر بر تلاش مشترک جهانی برای بهینه‌سازی فناوری سلول‌های خورشیدی پروسکایت تأکید می‌کند. دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله (KAUST) و هلمهولتز-زنتروم برلین (HZB) با سلول‌های خورشیدی پروسکایتی با پوشش تیغه‌ای که بازده تبدیل انرژی را به ۳۱.۲ درصد رسانده‌اند، به نقطه عطفی دست یافته‌اند. موسسه فناوری پیشرفته دانشگاه ساری (ATI) طول عمر عملیاتی این سلول‌ها را تا ۶۶ درصد افزایش داد و یکی از چالش‌های کلیدی در کاربرد تجاری آنها را برطرف کرد. علاوه بر این، دانشمندان هندی سلول‌های پروسکایتی بسیار پایدار با پایداری حرارتی و رطوبتی برتر ساخته‌اند که برای شرایط آب و هوایی مختلف بسیار مهم است.

در همین حال، دانشگاه شهر هنگ کنگ (CityUHK) سلول‌هایی را با کارایی ۲۵ درصد و پایداری قابل توجه نشان داد و عملکرد ۹۵ درصدی را پس از ۲۰۰۰ ساعت کار حفظ کرد. این پیشرفت‌ها بخشی از یک تلاش هماهنگ بین‌المللی، از جمله مشارکت‌های قابل توجه آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) و وزارت انرژی ایالات متحده، برای جابجایی مرز‌های فناوری سلول‌های خورشیدی پروسکایت است. دولت‌ها در سراسر جهان این روند را به رسمیت می‌شناسند و روی آن سرمایه گذاری می‌کنند.

GCL Group Holdings، سازنده بزرگ مواد خورشیدی چینی، ساخت بزرگترین کارخانه سلول‌های خورشیدی پروسکایت در سوژو را آغاز کرده است. سوئیفت سولار قصد دارد ظرف دو تا سه سال کارخانه‌ای در ایالات متحده ایجاد کند تا با استفاده از فتوولتائیک پشت سر هم پروسکایت، خورشیدی لایه نازک تولید کند. به طور مشابه، شرکت‌های مستقر در بریتانیا و استرالیا قبلاً این فناوری را تجاری کرده اند. علاوه بر این، وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت ژاپن (METI) برنامه‌هایی را برای استقرار ۲۰ گیگاوات فناوری سلول‌های خورشیدی پروسکایت تا سال ۲۰۴۰ اعلام کرده است که نشان‌دهنده حمایت قوی دولتی و سرمایه‌گذاری در آینده انرژی خورشیدی پروسکایت است.

عصر جدیدی در فناوری خورشیدی

سلول‌های خورشیدی پروسکایت به عنوان یک رقیب قدرتمند در بازار خورشیدی در حال ظهور هستند. استقرار تجاری فناوری پروسکایت در حال رشد است و در حال حاضر در پروژه‌های مقیاس کاربردی استفاده می‌شود.

این فناوری نوآورانه نه تنها با تولید انرژی بیشتر در هر منطقه نسبت به پانل‌های سنتی، استفاده از زمین و هزینه برق را کاهش می‌دهد، بلکه پیشرفت‌هایی را در بهره‌وری به نمایش می‌گذارد که در تنظیمات آزمایشگاهی به بیش از ۳۰ درصد می‌رسد. سلول‌های خورشیدی پروسکایت با بهره وری برتر، مقرون به صرفه بودن و تطبیق پذیری، انقلابی در انرژی‌های تجدیدپذیر ایجاد می‌کنند. آنها برای به چالش کشیدن سلطه سیلیکون و افزایش ظرفیت جهانی انرژی خورشیدی در آینده موقعیت خوبی دارند.