سلول خورشیدی پروسکایت (Perovskite solar cell) نوعی سلول خورشیدی است که از مواد پروسکایت ساخته میشود. مواد پروسکایت غالباً به صورت ترکیب های هیبریدی آلی-معدنی، هالید سرب یا قلع می باشند. از جمله این مواد میتوان به متیل آمونیوم سرب یدید و یا ماده معدنی سزیم سرب یدید اشاره کرد. پروسکایتها پتانسیل عملکردی بالا و هزینه پایینی در تولید سلولهای خورشیدی دارند.نام «پروسکایت» از ساختار بلوری آن گرفته شده است. این مواد در سایر فناوریهای انرژی مانند پیلهای سوختی و کاتالیستها نیز استفاده میشوند.
ساختار سلول خورشیدی پروسکایت
پروسکایتهایی که معمولاً در سلولهای خورشیدی فتوولتائیک (PV) به کار میروند، به طور خاص پروسکایتهای هالید فلزی نامیده میشوند. زیرا از ترکیبی از یونهای آلی، فلزات و هالوژنها ساخته شدهاند؛ در حالی که پروسکایتهای مورد استفاده در کاربردهای دیگر، ممکن است از اکسیژن به جای هالوژن استفاده کنند و معمولاً کاملاً معدنی باشند.
پروسکایتهای هالید فلزی ماده اصلی جذبکننده یا لایه فعال در سلول خورشیدی پروسکایتی هستند. در این نوع فناوری، یک لایه نازک پروسکایت نور را جذب میکند که باعث تحریک الکترونها میشود؛ هنگامی که این الکترونهای تحریک شده خارج شوند، توان الکتریکی تولید میگردد. سلولهای پروسکایتی به عنوان سلولهای لایهنازک شناخته میشوند. زیرا به لایههای فعال بسیار نازکتری نسبت به سلولهای خورشیدی سیلیکونی نیاز دارند.
این امکان به دلیل توانایی پروسکایت در جذب مؤثر برخی رنگهای نور فراهم میشود. لایههای جاذب پروسکایتی همچنین میتوانند بر روی یک لایه جاذب دیگر، مانند سیلیکون، قرار گیرند تا رنگهای نوری که توسط پروسکایت جذب نمیشوند مورد استفاده قرار گیرند؛ نتیجه این کار سلولی است که میتواند کارآمدتر از سلولهایی باشد که تنها از یکی از این مواد ساخته شدهاند. هنگامی که دو لایه به این شکل روی هم قرار میگیرند، به آن سلول خورشیدی تاندم گفته میشود.
ویژگیهای سلول خورشیدی پروسکایت
پروسکایتهای هالید فلزی دارای ویژگیهای منحصر به فردی هستند که استفاده از آنها در سلولهای خورشیدی را توجیه میکند. مواد خام استفاده شده و نیز روشهای ساخت این مواد (مانند پرینت)، هر دو ارزان و کم هزینه هستند. از سوی دیگر ضریب جذب زیاد این مواد، امکان استفاده از فیلمهایی با ضخامت کم (حدود ۵۰۰ نانومتر) را ممکن میسازد. به عبارت دیگر، برای جذب کامل نور مرئی تنها به یک فیلم چند صد نانومتری از پروسکایت نیاز است. ترکیب این ویژگیها، امکان ساخت ماژولهای خورشیدی ارزان، پربازده، نازک، سبک و انعطافپذیر را فراهم میسازد.
سلولهای خورشیدی پروسکایتی در سالهای اخیر پیشرفت چشمگیری نشان دادهاند، بهطوریکه راندمان آنها از حدود ۳٪ در سال ۲۰۰۹ تا بیش از ۲۶٪ در دستگاههای کوچک (حدود ۰٫۱ سانتیمتر مربع) افزایش یافته است؛ سلولهای تاندم پروسکایت-سیلیکون به راندمان نزدیک به ۳۴٪ رسیدهاند. اگر چه سلولهای خورشیدی پروسکایتی در مدت زمان کوتاهی بسیار کارآمد شدهاند، اما، فناوری فتوولتائیک پروسکایتی هنوز در مقیاس صنعتی تولید نمیشود و باید چالشهای متعددی برطرف شوند تا پروسکایتها بتوانند به یک محصول تجاری رقابتی در حوزه PV تبدیل شوند.
مزایای سلول خورشیدی پروسکایت
- کمهزینه بودن: پروسکایتها را میتوان با روشهای مبتنی بر محلول (مانند چاپ جوهرافشان یا پوششدهی چرخشی) تولید کرد که ارزانتر و کمانرژیتر از فرآیندهای با دمای بالای مورد نیاز برای سیلیکون هستند.
- کاربرد در سلولهای خورشیدی تاندم: ماده جاذب پروسکایتی میتواند بر روی یک جاذب سیلیکونی قرار گیرد و نور را به توان الکتریکی با کارایی بیشتری نسبت به هر یک از این فناوریها بهتنهایی تبدیل کند. همچنین با تغییر رنگ نوری که توسط پروسکایت جذب میشود، میتوان پروسکایتها را برای ترکیب با بسیاری از مواد خورشیدی دیگر در سلولها و ماژولهای تاندم طراحی کرد.
- تحمل نقصها: پروسکایتها در مقایسه با نیمهرساناهای متداول دیگر، نسبت به نقصهای موجود در ساختار بلوری خود مقاومتر به نظر میرسند.
- راندمان بالا: سلولهای خورشیدی پروسکایت در مدت زمان کوتاهی به بازدهیهای قابل توجهی دست یافتهاند. بازدهی این سلولها در آزمایشگاه به بیش از ۲۵٪ رسیده است که با سلولهای خورشیدی سیلیکونی رقابت میکند. این سلولها میتوانند در سلولهای تاندم (ترکیب با سیلیکون یا مواد دیگر) استفاده شوند تا بازدهی بیش از ۳۰٪ حاصل شود.
- سبکی و انعطافپذیری: سلولهای خورشیدی پروسکایت را میتوان روی بسترهای انعطافپذیر ساخت که آنها را برای کاربردهایی مانند دستگاههای الکترونیکی قابل حمل، گجتهای پوشیدنی و استفاده در ساختمان مناسب میکند.
- قابلیت تنظیم Bandgap: Bandgap مواد پروسکایت را میتوان با تغییر ترکیب شیمیایی آنها تنظیم کرد تا بخشهای مختلف طیف خورشیدی جذب شوند.
- نیمهشفاف بودن: سلولهای خورشیدی پروسکایت را میتوان نیمهشفاف ساخت که امکان استفاده در پنجرههای خورشیدی و کاربردهای مشابه را ممکن میسازد.
چالشها و محدودیتهای سلول خورشیدی پروسکایت
پنلهای خورشیدی پروسکایت، با وجود مزایای متعدد، دارای معایبی نیز هستند که میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
۱. مشکلات پایداری: مواد پروسکایت به رطوبت، گرما و نور UV حساس هستند که این موضوع میتواند منجر به کاهش عملکرد و برق تولیدی آنها شود.
۲. مواد سمی: بسیاری از مواد پروسکایت حاوی سرب بوده که برای محیط زیست و سلامتی جامعه بشری مضر است. لازم به ذکر است جایگزینهای بدون سرب در حال بررسی هستند، ولیکن معمولاً بازدهی کمتری دارند.
۳. مقیاسپذیری: اگرچه نتایج آزمایشگاهی چشمگیر هستند، اما تولید در مقیاس بزرگ با حفظ بازدهی و پایداری هنوز یک چالش است.
۴. طول عمر: سلولهای خورشیدی پروسکایت در حال حاضر طول عمر کمتری نسبت به پنلهای خورشیدی سیلیکونی دارند که معمولا طول عمری حدود 25 سال دارند.
سلولهای خورشیدی پروسکایت، سریعترین فناوری خورشیدی تا به امروز بودهاند. به دلیل پتانسیل این فناوری در دستیابی به بازدههای بیشتر و هزینه ساخت پایینتر، این سلولها توجه زیادی را از نظر تجاری به خود جلب کردهاند.