انقلابی در پنل‌های خورشیدی؛ سلول‌های خورشیدی پروسکایت با دوام ۱۵۰۰ ساعته در دمای ۹۰ درجه

تیتر20- در عصر گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر، سلول‌های خورشیدی پروسکایت به عنوان نسل بعدی فناوری خورشیدی، وعده کارایی بالا و هزینه پایین را می‌دهند. اما چالش اصلی آن‌ها، ناپایداری در برابر گرما و نور شدید بوده که مانع تجاری‌سازی شده است. محققان دانشگاه‌های پردو و اموری در آمریکا، با ابداع روشی نوین مبتنی بر مایعات یونی مهندسی‌شده، این مشکل را حل کرده‌اند. سلول‌های جدید، ۹۰ درصد خروجی خود را در دمای سوزان ۹۰ درجه سانتیگراد به مدت بیش از ۱۵۰۰ ساعت حفظ می‌کنند. این پیشرفت می‌تواند پنل‌های خورشیدی را از چند سال به دهه‌ها دوام برساند و انقلاب انرژی پاک را تسریع کند. در این گزارش، جزئیات فنی، آزمایش‌ها و چشم‌انداز آینده را بررسی می‌کنیم.

پروسکایت‌ها: جایگزین ارزان سیلیکون با چالش ناپایداری
مهندسان انرژی سال‌هاست سلول‌های خورشیدی پروسکایت مواد کریستالی مانند هالید پروسکایت را به عنوان جایگزینی ارزان‌تر و کارآمدتر برای سلول‌های سیلیکونی استاندارد می‌شناسند. این مواد جاذب‌های نور فوق‌العاده‌ای هستند و نور خورشید را با راندمان چشمگیری به برق تبدیل می‌کنند. با این حال، ناپایداری شدید آن‌ها تخریب سریع در مقایسه با طول عمر چند دهه‌ای سیلیکون بزرگترین مانع تجاری‌سازی بوده است.

سلول‌های خورشیدی پروسکایت مانند یک ساندویچ لایه‌ای ساخته می‌شوند: لایه فعال جذب نور بین دو لایه رابط فشرده می‌شود. اکثر تحقیقات بر رفع نقص‌های سطح بالایی تمرکز دارند، اما رویکرد جدید این تیم، کل ساختار را هدف قرار می‌دهد. این روش همزمان نقص‌های داخلی حجم ماده و سطح مشترک مدفون پایینی که اغلب نادیده گرفته می‌شود را برطرف می‌کند و پایداری کامل از بالا تا پایین را تضمین می‌نماید.

مایع یونی MEM-MIM-Cl: محافظ مولکولی برای بلورهای پروسکایت
تیم تحقیقاتی، چسب شیمیایی پیشرفته‌ای به نام MEM-MIM-Cl (متوکسی اتوکسی متیل-۱-متیل ایمیدازول کلرید) توسعه داد. این مایع یونی نمک‌هایی که در دماهای پایین مایع می‌مانند و با مواد دیگر برهمکنش قوی دارند با زنجیره جانبی اتیلن گلیکول اتر مهندسی شده است. طبق مطالعه، این مایع یونی رشد پروسکایت را تنظیم کرده و از طریق تعاملات هم‌افزایی، فصل مشترک‌های مدفون را تثبیت می‌کند.

MEM-MIM-Cl مانند یک محافظ مولکولی عمل می‌کند: به یون‌های سرب با بار مثبت متصل می‌شود، شکاف‌های خالی را پر می‌کند و از رابط‌های مدفون محافظت می‌نماید. وقتی با ماده خام پروسکایت مخلوط می‌شود، رشد کریستال را کندتر و کامل‌تر می‌کند تا دانه‌های بزرگ‌تر و باکیفیت‌تری با نقص‌های داخلی کمتر تشکیل شود. همچنین، به طور طبیعی به سطح مشترک پایینی مهاجرت کرده و مانند درزگیر، از تشکیل نقص جلوگیری می‌کند.

این تکنیک با فرآیندهای صنعتی مانند پوشش تیغه سازگار است که برای تولید انبوه پنل‌های بزرگ ایده‌آل است. تیم در حال اصلاح طرح‌های مولکولی و استفاده از تصویربرداری پیشرفته برای درک بهتر تعاملات شیمیایی است و با ثبت اختراع و اتحادهای صنعتی، به سمت مقیاس‌پذیری جهانی حرکت می‌کند.

آزمایش‌های سخت: ۹۰ درصد خروجی پس از ۱۵۰۰ ساعت در ۹۰ درجه سانتیگراد
آزمون واقعی، عملکرد در شرایط سخت بود. سلول‌های بهبودیافته تحت تابش مداوم نور خورشید (۱-خورشید) و تنش حرارتی ۹۰ درجه سانتیگراد شرایطی بسیار سخت‌تر از آزمایش‌های معمول  قرار گرفتند. نتیجه شگفت‌انگیز بود: سلول‌ها ۹۰ درصد از عملکرد اولیه خود را برای بیش از ۱۵۰۰ ساعت حفظ کردند.

طبق مطالعه منتشرشده در مجله Nature Energy (اول دسامبر): «سلول‌های خورشیدی حاوی MEM-MIM-Cl به راندمان تبدیل انرژی ۲۵.۹ درصد دست یافتند و ۹۰ درصد از عملکرد اولیه خود را پس از ۱۵۰۰ ساعت تحت تابش مداوم ۱-خورشید و تنش حرارتی ۹۰ درجه سانتیگراد حفظ کردند که از معیارهای قبلی در شرایط پیری ملایم‌تر فراتر می‌رود.» این دوام، پروسکایت‌ها را به رقیبی واقعی برای سیلیکون تبدیل می‌کند.

پیشرفت سلول‌های خورشیدی پروسکایت با مایع یونی MEM-MIM-Cl، دریچه‌ای به سوی پنل‌های خورشیدی ارزان، کارآمد و فوق‌العاده پایدار باز کرده است. حفظ ۹۰ درصد خروجی در ۹۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱۵۰۰ ساعت، نه تنها چالش ناپایداری را حل می‌کند، بلکه با راندمان ۲۵.۹ درصدی، تولید انبوه را ممکن می‌سازد. این فناوری می‌تواند هزینه انرژی خورشیدی را کاهش دهد، دسترسی به برق پاک را جهانی کند و به مبارزه با تغییرات اقلیمی کمک شایانی نماید. با ادامه تحقیقات و تجاری‌سازی، آینده روشن‌تر از همیشه به نظر می‌رسد./تجارت نیوز