استفاده از نور برای سلول‌های خورشیدی فوق‌العاده نازک با جریان فوتوالکتریک ۲۸.۲٪ بالا
پژوهشگران سلول خورشیدی پروسکایتی بسیار نازکی با طرح شطرنجی ایجاد کرده‌اند که لایه پروسکایت را از تخریب توسط اشعه ماوراء بنفش محافظت می‌کند.
این طراحی که توسط تیمی در دانشگاه نوا لیسبون توسعه یافته است، شامل یک کپسول لومینسانس پایین-انتقالی است که تبدیل فوتون‌های UV را بهبود بخشیده و کارایی کلی را افزایش می‌دهد.
تیم در چکیده مطالعه اعلام کردند: «از طریق یک رویکرد مدل‌سازی اپتیکی و الکتریکی ترکیبی، این ساختار فوتونیک می‌تواند جریان فوتوالکتریک و کارایی تبدیل توان را در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی بسیار نازک به ترتیب ۲۵.۹ درصد و ۲۸.۲ درصد افزایش دهد.»
مطالعه همچنین نشان داد که بیش از ۹۴ درصد از اشعه UV ورودی می‌تواند به طور موثر به طیف قابل مشاهده تبدیل شود.
سلول‌های خورشیدی پروسکایتی محافظت شده در برابر UV
مواد مبتنی بر پروسکایت به دلیل خواص اپتو الکترونیکی استثنایی خود به تمرکز اصلی تحقیقات فتوولتائیک (PV) تبدیل شده‌اند. این خواص به سلول‌های خورشیدی امکان می‌دهد تا کارایی تبدیل توان (PCE) مشابه با سلول‌های تجاری مبتنی بر سیلیکون را بدست آورند.
با این حال، طول عمر سلول‌های خورشیدی پروسکایتی (PSCs) تحت تأثیر عوامل ذاتی و محیطی قرار دارد، با توجه به تخریب UV که یک نگرانی مهم است، به ویژه در کاربردهای فضایی که مواجهه با UV بالا است.
برای مقابله با این موضوع، پژوهشگران استراتژی‌هایی مانند استفاده از کپسول لومینسانس پایین-انتقالی (LDS) توسعه داده‌اند که نه تنها سلول‌ها را محافظت می‌کند بلکه فوتون‌های UV را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند و کارایی کوانتومی خارجی (EQE) را افزایش می‌دهد.
مواد مبتنی بر لانیتانید، به‌ویژه یوروپیوم (Eu3+) و تربیوم (Tb3+) نگاهی امیدبخش برای تبدیل UV به قابل مشاهده نشان داده‌اند، کاهش تخریب ناشی از UV و افزایش پایداری دستگاه.
در همین حال، تکنیک‌های نورگیری (LT) مانند ساختارهای شبکه‌ای، مسیر نوری درون PSC را بهبود بخشیده و به جاذب‌های نازک‌تر اما کاراتر اجازه می‌دهد.
جذب نور بهینه‌سازی شده
تحقیقات تیم رویکرد جدیدی برای بهبود عملکرد، مقاومت در برابر UV و انعطاف‌پذیری سلول‌های خورشیدی پروسکایتی (PSCs) معرفی می‌کند. تیم از ترکیبی از دو تکنیک نوآورانه استفاده کردند: یک طراحی شطرنجی خاص برای نورگیری (LT) و ماده‌ای که نور UV را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند.
ابتدا، طراحی شطرنجی برای افزایش جذب نور درون سلول‌های خورشیدی طراحی شده بود. سپس آن را با یک پوشش پیچیده متشکل از ماده‌ای اصلاح شده با لانیتانید جفت کردند که به محافظت از سلول‌ها در برابر آسیب تبدیل UV به نور قابل مشاهده کمک می‌کند.
حتی در مواردی که نور در زوایای متنوع به سلول‌ها برخورد می‌کند، طراحی LT شطرنجی باعث افزایش جریان فوتوالکتریک با ۲۵.۹ درصد می‌شود. سلول‌های خورشیدی فوق‌العاده نازک ۲۸ درصد افزایش کارایی نشان می‌دهند، و به یک کارایی تبدیل توان (PCE) پیش‌بینی شده ۲۴.۱ درصد با فقط یک لایه پروسکایت ۲۵۰ نانومتری می‌رسند.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که با وجود ممکن بودن خطاهای ساخت، این ساختارهای LT نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری خوبی هستند، با نوسانات کمتری در عملکرد.
علاوه بر این، پوشش LDS ساخته شده از مواد جدید (t-U (5000)/Eu3+)، پایداری سلول‌های خورشیدی را بدون کاهش عملکرد افزایش می‌دهد. این پوشش اثرات مخرب UV را با ۹۴ درصد کاهش می‌دهد و جذب نور در لایه پروسکایت را کمی بهبود می‌بخشد.
در حالی که پوشش LDS تاثیر بیشتری بر طرح‌های ساده‌تر PSC دارد، ترکیب LT و LDS بهترین عملکرد را در کاربردهای فضایی نشان می‌دهد. این رویکرد کارایی و پایداری را در معرض بالای UV بهبود داده و نسبت قدرت به وزن پنل‌های خورشیدی را افزایش می‌دهد.
به گفته پژوهشگران، با ترکیب نورگیری با لایه‌های لومینسانس پایین-انتقالی، این کار یک راه‌حل فوتونیکی بالقوه برای مقابله با تخریب UV در PSCها بدون دور زدن تلفات نوری در سلول‌های فوق‌العاده نازک آشکار می‌کند، بنابراین هم عملکرد و هم پایداری را بهبود می‌بخشد.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Light منتشر شد.
