مهندسان به کمک یک لایه‌ی جدید، عمر و توان پنل‌های خورشیدی را افزایش دادند!

محققان دانشکده مهندسی دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ (HKUST) نقصی را شناسایی کرده‌اند که باعث ناپایدار شدن صفحات خورشیدی مبتنی بر پروسکایت (Perovskite) می‌شد. با رفع این مشکل، آنها راه را برای استقرار گسترده این پنل‌های خورشیدی بسیار کارآمد هموار کرده‌اند.

به دنبال تمایل جهان به دوری از سوخت‌های فسیلی، استفاده از تأسیسات انرژی بادی و خورشیدی با سرعتی زیاد در حال افزایش است. اگرچه تقریباً در همه جا می‌توان به انرژی خورشیدی دسترسی داشت، اما میزان استفاده از آن هنوز از سیستم‌های انرژی بادی و هیدروالکتریکی بسیار کمتر است.

یکی از دلایل پذیرش نسبتاً کم انرژی خورشیدی، راندمان پایین آن است. به‌طور متوسط، پنل‌های خورشیدی موجود در بازار دارای راندمان تبدیل توان (PCE) ۱۵-۲۰ درصد هستند. این بدان معناست که از تمام نور خورشید که در طول روز روی یک صفحه خورشیدی می‌تابد، یک پنل خورشیدی معمولی نمی‌تواند بیش از ۲۰ درصد را به برق تبدیل کند.

در حقیت یک نیروگاه خورشیدی، با وجود زیرساخت عظیمش نمی‌تواند ۸۰ درصد از نور خورشید را به انرژی تبدیل کند. به همین دلیل است که راندمان سلول‌های خورشیدی نیاز به ارتقای اساسی دارد و دقیقا در این‌جا پروسکایت می‌تواند به کمک ما بیایند.

مشکل پروسکایت‌

تحقیقات پیشین ثابت کرده‌اند که سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت به دانشمندان کمک می‌کنند تا این رکورد را جابه‌جا کرده و با تبدیل انرژی، بازدهی را تا ۳۳ درصد بالا ببرند.

علاوه بر این، پنل‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت، ارزان‌تر لوده و با محیط زیست سازگارند. همچنین برای تسهیل در نصب‌های شهری، می‌توان آن‌ها را در رنگ‌های مختلف تولید کرد.

نصب نسبتاً آسان‌تر این پنل‌ها در مقایسه با مزارع بادی فراساحلی یا ساخت نیروگاه‌های برق آبی، نصب گسترده‌تر پانل‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت را به یک گزینه جایگزین و بهتر تبدیل می‌کند.

پروسکایت‌ها با وجود تمام قابلیت‌های برترشان یک مشکل اساسی دارند. نوسانات ناگهانی دما یا قرار گرفتن طولانی مدت در معرض رطوبت و اکسیژن این ماده را ناپایدار می‌کند و باعث ازکار افتادن سلول خورشیدی می‌شود. این یک مانع بزرگ برای استفاده از پروسکایت‌ها در مقیاس تجاری است.

رفع ایرادات

محققان به سرپرستی ژو یوانیوان، استاد مرتبط در HKUST، ریزساختار پروسکایت را مطالعه کردند و دریافتند که دانه‌های کریستالی این ماده بر روی سطوح خود دارای فرورفتگی‌هایی هستند. هنگامی که این دانه‌ها در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند، این فرورفتگی‌ها بر پیوستگی ساختاری لایه پروسکایت تأثیر گذاشته و باعث فروپاشی آن در شرایط مختلف می‌شود.

ژو در بیانیه‌ای توضیح داد:

زمانی که از میکروسکوپ اتمی برای بررسی جزئیات ساختاری لایه‌های پروسکایت استفاده کردیم، از دیدن فرورفتگی‌های سطحی دانه‌های پروسکایت بسیار شگفت‌زده شدیم. این فرورفتگی‌ها معمولاً در زیر لایه غشا مدفون می‌شوند و به‌راحتی نادیده گرفته می‌شوند.

این نقص، استقرار گسترده پروسکایت‌ها را محدود کرده است. علاوه بر این، محققان دریافتند که تقعر یک عامل محدودکننده در بازده کلی تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت است. بنابراین، اصلاح این نقص همچنین می‌تواند به ایجاد پنل‌های خورشیدی کارآمدتر کمک کند.

در تحقیقات این تیم مشخص شد که پردازش ماده پروسکایت با یک مولکول سورفکتانت، به ویژه تری‌دکافلوروهگزان-۱-سولفونیک اسید پتاسیم، به انتشار یون در هنگام ساختن لایه برای صفحات خورشیدی کمک می‌کند.

در این بیانیه مطبوعاتی آمده است که سلول‌های ساخته شده با استفاده از مواد پروسکایت تصفیه‌شده، کارایی و پایداری بهتری را تحت گرمای مرطوب، چرخه حرارتی و تست‌های ردیابی نقطه حداکثر توان نشان دادند.

ژو در بیانیه مطبوعاتی گفت:

ساختار و هندسه‌ی دانه‌های کریستالی منفرد، منشأ عملکرد نیمه‌هادی‌های پروسکایت و سلول‌های خورشیدی است.

با کشف فرورفتگی‌های سطح دانه‌ها، درک اثرات آن‌ها و استفاده از مهندسی شیمی برای تنظیم هندسه آن‌ها، ما در حال پیش بردن راه جدیدی برای ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایت با کارایی و پایداری بیشتر هستیم.

یافته‌های این تحقیق در مجله Nature Energy منتشر شده است.

منبع: Interesting engineering