سلول‌های خورشیدی پرووسکایت: عملکرد، قابلیت و تاثیر جهانی

سلول‌های خورشیدی پرووسکایت که ابتدا توسط تسوتومو میاساکا در سال ۲۰۰۹ توسعه یافتند، به عنوان یک پیشرفت در فتوولتائیک و جایگزین نویدبخش برای فناوری‌های خورشیدی سنتی به وجود آمدند. آزمایشگاه‌های پیشرفته‌ترین جهان در حال آزمایش با این نسل جدید سلول‌های خورشیدی هستند که قادر به جذب طیف وسیع‌تری از نور خورشید هستند. چرا؟

زیرا برخلاف تولید پرانرژی و هزینه‌بر سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون بلوری (c-Si)، سلول‌های پرووسکایت از هالید فلزی پرووسکایت استفاده می‌کنند. این مواد فرایندهای تولید ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تری را امکان‌پذیر می‌کنند و باعث شده‌اند که تحقیقات جهانی قابل توجهی برای افزایش کارایی، دوام و قابلیت تجاری‌سازی آنها جریان داشته باشد. با قابلیت‌های کارایی که به سرعت از ۴٪ به بیش از ۳۰٪ تکامل یافته‌اند، سلول‌های خورشیدی پرووسکایت می‌توانند تاثیر قابل توجهی بر آینده انرژی تجدیدپذیر داشته باشند.

برای آشنایی با فناوری خورشیدی پرووسکایت و اینکه چگونه باعث تغییر بزرگی در فناوری خورشیدی شده است، ادامه مطلب را بخوانید.

ترکیب و عملکرد سلول‌های خورشیدی پرووسکایت

پرووسکایت‌ها مواد چندمنظوره‌ای هستند که به خاطر انعطاف‌پذیری ترکیبی استثنایی خود شناخته می‌شوند و مناسب برای کاربردهای فناوری پیشرفته مختلفی فراتر از سلول‌های خورشیدی، مانند چیپ‌های حافظه و ماشین‌های اولتراسوند هستند. مواد پرووسکایتی مانند متیل‌آمونیوم سرب هالید و سزیم سرب هالید آل‌-غیرآلی به ویژه به دلیل مقرون به صرفه بودن خود جذاب هستند. امکان چاپ این مواد در دماهای پایین اجازه تولید ماژول‌های خورشیدی سبک‌تر و نازک‌تر را فراهم می‌کند.

نوآوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی پرووسکایت-سیلیکون تندم این فناوری را بیشتر بهبود می‌بخشند با ترکیب قوی‌ترین ویژگی‌های پرووسکایت و سیلیکون بلوری ، جذب طیف وسیع‌تری از نور خورشید و به طور قابل توجهی افزایش کارایی کلی.

استفاده‌های احتمالی آن‌ها از فتوولتائیک یکپارچه ساختمان‌ها مانند پنجره‌ها و دیوارها به منسوجات و پک‌های نیروی خودشارژشونده گسترش می‌یابد.

سلول‌های خورشیدی پرووسکایت بر اصولی فعال هستند که نور خورشید با یک لایه نازک از مواد پرووسکایت هیبریدی ارگانیک-غیر ارگانیک سرب یا قلع هالید تعامل دارد. این تعامل جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند.

الکترون‌ها به سمت لایه حمل‌ونقل الکترون حرکت می‌کنند و حفره‌ها به سمت لایه حمل‌ونقل حفره، ایجاد جریان الکتریکی می‌کنند. یکی از چالش‌های بزرگ در به حداکثر رساندن کارایی این سلول‌ها شامل به حداقل رساندن بازترکیب سطحی است، جایی که الکترون‌ها زودتر از موعد به حفره‌ها ترکیب می‌شوند و خروجی الکتریکی را کاهش می‌دهند.

حدود ۹۰٪ از پانل‌های خورشیدی از نیمه‌هادی‌های سیلیکونی استفاده می‌کنند، که نمی‌توانند بدون خطر نقص‌هایی که عملکرد را نقصان می‌بخشند، در حمام محلول پردازش شوند. در مقابل، نیمه‌هادی‌های پرووسکایتی بسیار تحمل‌پذیر به نقص هستند و می‌توانند به جوهر نیمه‌رسانایی پردازش شوند، که آن‌ها را برای ساخت سلول‌های خورشیدی سبک و انعطاف‌پذیر مناسب می‌کند.

این سازگاری برای کاربردهای حرکتی مانند پهپادها و سقف‌های خودرو ایده‌آل است. با این حال، در حالی که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با طول عمر ۲۵-۳۰ سال و با کمینه کاهش (حدود ۰.۸٪ سالانه) بسیار قدرتمند هستند، سلول‌های خورشیدی پرووسکایت با چالش‌هایی از نظر بهره‌وری بلندمدت و خروجی برق مواجه می‌شوند.

موانع پذیرش گسترده سلول‌های خورشیدی پرووسکایت

علی‌رغم ویژگی‌های امیدوارکننده خود، سلول‌های خورشیدی پرووسکایت (PSCs) چالش‌های قابل توجهی را تجربه می‌کنند که توانایی تجاری آن‌ها و پذیرش گسترده آن‌ها را در مقایسه با فناوری‌های فتوولتائیک سنتی محدود می‌کند. دوام یک نگرانی اصلی است، زیرا PSC ها معمولاً دوره عمر ۲.۵ ساله دارند به دلیل عدم پایداری در شرایط واقعی. این کاهش اساساً به دلیل عوامل محیطی مانند رطوبت و تابش UV می‌باشد. پژوهشگران در حال بررسی استراتژی‌های مختلف برای افزایش پایداری و افزایش طول عمر این سلول‌ها از طریق تکنیک‌های کپسوله‌سازی پیشرفته و نوآوری‌های مواد هستند.

در حالی که در شرایط کنترل شده با رکوردهای بیش از ۳۰٪ قابل توجه است، کارایی هنوز نیاز به بهبود در کاربردهای واقعی دارد. اطمینان از اینکه PSC ها علاوه بر کارآمد بودن، با دوام و مقیاس‌پذیر هستند برای پذیرش آن‌ها ضروری است. فرآیند تولید نیز موانعی را دارد؛ بیشتر تکنیک‌های تولید در مقیاس آزمایشگاهی برای PSC ها به سادگی به تولید در مقیاس بزرگ ترجمه نمی‌شوند. توسعه روش‌های مقرون به صرفه و با توانایی بالا که عملکرد سلول‌ها را در مقیاس حفظ می‌کنند بسیار مهم است.

تأثیر زیست‌محیطی یکی دیگر از چالش‌های مهم است. بسیاری از مواد پرووسکایت از سرب استفاده می‌کنند، که باعث ایجاد نگرانی‌هایی درباره مسمومیت و ایمنی محیطی می‌شود. تلاش برای حذف یا به صورت امن کپسوله‌سازی این مواد خطرناک برای پیشرفت PSC ها به سمت استفاده تجاری وسیع‌تر بسیار مهم است. بعلاوه، پروتکل‌های آزمایش موجود برای PSC ها نیاز به انسجام بیشتری دارند، که ارزیابی پایداری و عملکرد بلندمدت را پیچیده می‌کند. تدوین روش‌های استاندارد آزمایش برای پیشبرد پژوهش و اطمینان از مقایسه قابل اطمینان از طول عمر و کارایی ضروری است.

مزایای سلول‌های خورشیدی پرووسکایت

• نرخ تبدیل بیش از ۳۰٪ را به‌دست آورده‌اند، بیش از حداکثر سنتی سیلیکون با حدود ۲۵٪.
• می‌توانند در دمای اتاق با استفاده از تکنیک‌های ساده چاپ یا پوشش ساخت، که هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.
• نازک و سبک بودن آن‌ها را برای کاربردهای گوناگون، از جمله دستگاه‌های قابل حمل و مواد ساختمانی یکپارچه مناسب می‌سازد.
• کارایی بالاتر خود را تحت دماهای بالا حفظ می‌کنند، ایده‌آل برای مناطق گرم که پانل‌های سنتی عملکرد مناسب ندارند.
• نوآوری‌هایی مانند طراحی‌های پرووسکایت-سیلیکون تندم به افزایش تولید انرژی کمک می‌کنند و استفاده از مواد را کاهش می‌دهند، که به اهداف پایداری جهانی کمک می‌کند.

معایب سلول‌های خورشیدی پرووسکایت

• حساس به عوامل محیطی مانند رطوبت، اکسیژن و نور UV، که اگر به درستی کپسوله نشود، می‌تواند سلول‌ها را به سرعت تجزیه کند.
• استفاده از سرب مشکلاتی جدی در مورد بهداشت و ایمنی محیطی ایجاد می‌کند، که نیاز به تحقیقات برای پیدا کردن جایگزین‌های غیرسمی دارد.
• انتقال از تولید در مقیاس کوچک آزمایشگاهی به تولید در مقیاس بزرگ چالش‌هایی در حفظ کیفیت و کارایی دارد.
• یکپارچگی ساختاری ممکن است در دماهای بالا به خطر بیافتد، محدود به استفاده در برخی اقلیم‌ها بدون راه‌حل‌های مدیریت حرارتی موثر است.

پیشرفت‌ها و همکاری جهانی

پیشرفت‌های اخیر، تلاش‌های همکارانه جهانی برای بهینه‌سازی فناوری سلول‌های خورشیدی پرووسکایت را تقویت می‌کند. دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله (KAUST) و مرکز هلمهولتز برلین (HZB) به یک نقطه عطف با سلول‌های خورشیدی پرووسکایت پوششی با تیغه دست یافته‌اند که بازده تبدیل قدرت ۳۱.۲٪ را به‌دست آورده‌اند. مؤسسه فناوری پیشرفته دانشگاه سوری (ATI) عمر کارکردی این سلول‌ها را ۶۶٪ افزایش داد و یکی از چالش‌های کلیدی در کاربرد تجاری آن‌ها را برطرف کرد. به علاوه، دانشمندان هندی سلول‌های پرووسکایت بسیار پایدار با ثبات حرارتی و رطوبتی برتر توسعه داده‌اند که برای شرایط اقلیمی متنوع حیاتی است.

در عین حال، دانشگاه شهر هنگ کنگ (CityUHK) سلول‌هایی با کارایی ۲۵٪ و پایداری قابل توجه نشان داد که ۹۵٪ از عملکرد خود را بعد از ۲۰۰۰ ساعت کار حفظ کردند. این پیشرفت‌ها بخشی از یک تلاش بین‌المللی هماهنگ است، از جمله سهم‌گذاری‌های مهم از آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (NREL) و وزارت انرژی آمریکا، برای گسترش مرزهای فناوری سلول‌های خورشیدی پرووسکایت. دولت‌ها در سراسر جهان این روند را به رسمیت شناخته و سرمایه‌گذاری می‌کنند.

گروه گروپ هولدینگ، یک سازنده بزرگ مواد خورشیدی چینی، ساخت بزرگترین کارخانه سلول‌های پرووسکایت جهان در سوزو را آغاز کرده است.

سطح سلول‌های نوری سیم خاردار را به نمایش گذاشته است که بازده توانات برابر با ۳۱.۲٪ دارد. گروه پیش فناوری دانشگاه سوری زمان عملیاتی این سلول‌ها را ۶۶٪ افزایش داده و یکی از چالش‌های کلیدی در کاربرد تجاری را برطرف کرده است. به علاوه، دانشمندان هندی سلول‌های پرووسکایت پایدار با قابلیت حرراتی و رطوبتی برتر و مناسب برای شرایط جوی مختلف ساخته‌اند.

در همین حال، دانشگاه شهر هنگ‌کنگ پس از ۲۰۰۰ ساعت عملکرد درسی قرار داده و باقی‌مانده عملکرد ۹۵٪ پس از مدت کم‌تر از ۲۰۰۰ ساعت کار. این پیشرفت‌ها بخشی از تلاش‌های بین‌المللی جدحضرت مانند NREL و دپارتمان انرژی ایالات متحده برای تقویت فناوری سلول‌های خورشیدی پرووسکایت است. تلاش‌های جهانی ، سرمایه‌گذاری در این روند را تایید کرده و سرمایه‌گذاری می‌کند.

گروه گروس‌ال‌هادیینگ، یک شرکت عمده تولید مواد خورشیدی چینی، ساخت بزرگترین کارخانه سلول‌های پرووسکایت در جهان در سوژو را آغاز نموده است. سولار سوئیفت برنامه را تنظیم کرده است تا ظرف سه سال آینده کارخانه‌ی بزرگی در ایالات متحده برای تولید فیلم نازک سلول‌های خورشیدی با استفاده از فت‌ولتا‌های پرووسکایت احداث کند. به طور مشابه، شرکت‌هایی مستقر در بریتانیا و استرالیا قبلاً این فناوری را تجاری کرده‌اند. علاوه بر این، وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت ژاپن برنامه‌هایی برای استقرار ۲۰ گیگاوات فناوری سلول‌های خورشیدی پرووسکایت تا سال ۲۰۴۰ اعلام کرده است، که نشان از حمایت گسترده دولتی و سرمایه‌گذاری در آینده انرژی خورشیدی پرووسکایت دارد.

عصر جدیدی در فناوری خورشیدی

سلول‌های خورشیدی پرووسکایت به عنوان یک رقیب نیرومند در بازار خورشیدی مطرح هستند. استفاده تجاری از فناوری پرووسکایت همچنین به سرعت افزایش یافته است و در پروژه‌های مقیاس کارکردی به کار گرفته می‌شود.

این فناوری نوآورانه نه تنها استفاده از زمین و هزینه‌های برق تعاملی را با تولید انرژی بیشتر در واحد سطح نسبت به پانل‌های سنتی کاهش می‌دهد بلکه با دستیابی به رکورد کارایی بیش از ۳۰٪ در شرایط آزمایشگاهی، انقلابی در روند انرژی‌های تجدیدپذیر به وجود آورده است. سلول‌های خورشیدی پرووسکایت با کارایی بالا، صنعت انرژی تجدیدپذیر را متحول می‌کنند و همزمان با کاهش هزینه‌ها و افزایش انعطاف‌پذیری به چالش کشیدن سلطه سیلیکون پرداخته و باعث رشد بیشتر ظرفیت انرژی خورشیدی جهانی می‌شوند.