سلول های خورشیدی پروسکایتی

درسال های اخیر شاهد گسترش سریع سلول­ ­های خورشیدی نوظهور، که اغلب نسل سوم نامیده می شوند، بوده­ ایم. سلول ­­های خورشیدی بر پایه پروسکایت­ هالید آلی-معدنی، به این دسته تعلق دارند. بازده سلول ­­های خورشیدی با استفاده از این مواد از %۳/۸ در سال ۲۰۰۹ به بازده تایید شده %۱۶/۲ در پایان سال ۲۰۱۳، %۱۷/۹ در سال ۲۰۱۴ و در حال حاضر، طبق گزارش رسمی NREL به بازده %۲۲/۱ رسیده است که این بازده بسیار نزدیک به بازده سلول های خورشیدی سیلیکونی و CIGS می باشد.

لایه جاذب نور در این نوع سلول­ ­های خورشیدی شامل یک ترکیب با ساختار پروسکایت است که معمول­ترین آن یک هیبرید آلی-معدنی سرب (Methylammonium lead iodide perovskite) می باشد. خصوصیات اپتیکی بسیار خوب از جمله ضریب جذب بالا و گاف انرژی مناسب، باعث شده تا این ترکیبات برای کاربردهای جذب نور (Light harvesting) در زمینه فوتو­ولتائیک بسیار مناسب باشند.

متیل آمونیوم سرب یدید یک ترکیب نیمه ­هادی ambipolar است که می تواند هم الکترون­ها و هم حفره­ ها را به الکترود­های جمع ­کننده مربوطه انتقال دهد. به این دلیل است که سلول ­­های خورشیدی پروسکایتی حتی در عدم حضور لایه انتقال­ دهنده حفره و یا رسانای الکترون (Electron conductor) نیز می توانند عمل کنند. خصوصیات منحصر به فرد پروسکایت سرب یدید، همچنین قیمت پایین و سادگی فرایند پذیری موجب شده تا این ترکیب برای کاربرد در سلول ­های خورشیدی نسل سوم با بازده بالا و ارزان، بسیار مطلوب باشد.

ساختار سلول خورشیدی متخلخل پروسکایتی استاندارد (Standard mesoscopic perovskite solar cell) از شیشه پوشش داده شده با FTO، لایه ای از TiO2 (به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون و داربست)، لایه جاذب نور پروسکایت، لایه انتقال دهنده حفره و الکترود پشتی طلا یا نقره تشکیل­ شده است که این الکترود می­ تواند با ترکیبات دیگر همچون کربن جایگزین شود.

PSC3

متداول­ترین ماده ­ای که به عنوان انتقال دهنده حفره در سلول­ های خورشیدی پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد ترکیب پلیمری Spiro-OMeTADمی­ باشد. ویژگی­های مورد توجه این ترکیب از جمله دمای انتقال شیشه­ ای مناسب، حلالیت، پتانسیل یونیزاسیون و شفاف بودن در رنج طیف مرئی باعث شده تا این ترکیب گزینه مناسبی برای این کاربردها باشد. به منظور افزایش تحرک پذیری حفره ­ها می­ توان از ترکیبات افزودنی همچون نمکی از لیتیوم (LiTFSI) و ترت-بوتیل پیریدین به همراه این ترکیب استفاده کرد.

پلی تری آریل آمین (PTAA) نیز به عنوان الکترولیت جامد و انتقال دهنده حفره (HTM) در سلول­ های خورشیدی، بخصوص سلول ­های خورشیدی پروسکایتی بکار می­ رود، این ترکیب قابلیت انحلال در حلال های آلی از جمله کلروبنزن و تولوئن را دارد. امروزه ایده ­های جدید و روش­های متنوعی به منظور ساخت سلول­ های خورشیدی با بازدهی بالا به کار گرفته شده و مورد توجه بسیاری از محققین است. این امر نشان دهنده راه طولانی است که تا رسیدن به سلول ­های کاملا بهینه شده، پیش رو می باشد. کیفیت و خلوص مواد اولیه، روشهای لایه نشانی مناسب، ضخامت لایه­ ها و استفاده از حلال­های بدون آب از جمله مواردی هستند که در بدست آوردن بازده بالا و سایر نتایج مطلوب سلول ­های ساخته شده تاثیر بسزایی دارند.

پیش ماده ­های مورد نیاز برای ساخت پروسکایت عبارتند از سرب یدید (PbI2) متیل آمونیوم یدید (MAI) و دی متیل فرمامید (DMF) که یکی از حلال­ های رایج مورد استفاده در سنتز است. متیل آمونیوم یدید CH3NH3I به عنوان قسمت آلی ترکیبات پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد و همراه با ترکیب سرب یدید در حلال DMF بصورت همزمان یا بصورت مجزا در حلال ایزوپروپانول حل شده و سپس با استفاده از روش لایه ­نشانی چرخشی و یا غوطه­ ور کردن، لایه نشانی می­ شود. با توجه به حساسیت مواد پروسکایت به حضور حتی مقادیر کم آب، گاهی نیاز است که DMF آب گیری شود.

از نظر تئوری، بیشنیه بازده سلول خورشیدی پروسکایتی (MAPbI3) با ضخامت یک میکرون، ۲۶% می باشد که بسیار بالاتر از بازده سلول خورشیدی GaAs با ضخامت مشابه است. این امر نشان دهنده قابلیت بالای تجاری­ سازی این سلول­ها است. سلول ­های خورشیدی پروسکایتی تاکنون عملکرد مناسبی تا ۱۰۰۰ ساعت داشته اند ولی هنوز این نتایج برای تجاری­ سازی سلول­ ها کافی نیست. طول عمر این سلول ­ها باید به بیش از ۲۰ سال برسد. این امر با فهم دقیق مکانیسم عملکرد سلول و عوامل موثر بر آن، فرمولاسیون مناسب جوهرهای پروسکایت جهت لایه نشانی و بهره برداری از شیمی مواد و تکنولوژی­ های جدید به منظور کپسوله کردن سلول ها امکان پذیر خواهد بود. کاهش هزینه مواد و فرایند­های ساخت، چالش مهم دیگری در راه تجاری­ سازی این سلول ­ها است.