18 می 2025
مواد پروسکایتی (Perovskite Materials) بهعنوان آینده فناوری سلولهای خورشیدی شناخته میشوند، زیرا ساختار منحصربهفرد آنها، این مواد را به گزینهای ایدهآل برای تولید سامانههای فتوولتائیک (Photovoltaic) کمهزینه و با راندمان بالا تبدیل کرده است. همچنین پیشبینی میشود که پروسکایتها در نسل آینده فناوریهایی نظیر نمایشگرها، باتریها، حسگرها و بسیاری از کاربردهای پیشرفته دیگر نیز نقش مهمی ایفا کنند.
راهبرد نوین دوپینگ، راندمان و پایداری سلولهای خورشیدی تمامغیرآلی را بهطور چشمگیری افزایش داده.
پژوهشگران دانشگاه فناوری گوانگدونگ (Guangdong University of Technology) راهبردی مبتنی بر اصلاح با یونهای روی (⁺Zn²) توسعه دادهاند که بهطور همزمان راندمان و پایداری سلولهای خورشیدی پروسکایتی تمامغیرآلی CsPbBr₃ را بهبود میبخشد.
پروسکایتهای تمامغیرآلی CsPbBr₃ در مقایسه با پروسکایتهای هیبریدی آلی– غیرآلی، به دلیل حذف کاتیونهای آلی مانند متیلآمونیوم (⁺MA) و فرمامیدینیوم (⁺FA) که در برابر گرما، رطوبت، اکسیژن و نور مستعد تخریب هستند، از پایداری محیطی بسیار بالاتری برخوردارند. با این حال، این مزیت با یک نقطه ضعف همراه است؛ (Bandgap) نسبتاً بزرگ این ماده (حدود ۲٫۳ الکترونولت) توانایی آن را در جذب بخش وسیعتری از طیف نور خورشید محدود میکند. علاوه بر این، لایههای نازک CsPbBr₃ معمولاً از بلورینگی پایین و چگالی بالای عیوب ساختاری رنج میبرند که موجب بازترکیب حاملهای بار شده و در نهایت بازده تبدیل توان (Power Conversion Efficiency – PCE) را کاهش میدهد.
راهبرد اصلاح با Zn²⁺ که توسط این گروه تحقیقاتی ارائه شده است، دقیقاً برای رفع این محدودیتها و بهبود کیفیت فیلم پروسکایتی طراحی شده است. افزودن یونهای روی، فرآیند تبلور (Crystallization) لایه CsPbBr₃ را بهینه میکند و در نتیجه فیلمی متراکم، بدون حفره (Pinhole-Free)، با اندازه دانههای بزرگتر و بلورینگی بالاتر به دست میآید. این بهبودهای ریزساختاری باعث افزایش جذب نور و کاهش بازترکیب غیرتابشی (Non-Radiative Recombination) حاملهای بار میشود؛ عاملی که مستقیماً به افزایش راندمان سلول خورشیدی منجر خواهد شد.
در این پژوهش، نمونهای که با ۰٫۵ درصد یون Zn²⁺ اصلاح شده بود، به بیشترین بازده تبدیل توان (Champion PCE) معادل ۸٫۵۴ درصد دست یافت؛ رقمی که نسبت به بازده ۷٫۰۷ درصدی نمونه مرجع بدون اصلاح، حدود ۲۱ درصد بهبود را نشان میدهد.
از نظر پایداری نیز نتایج قابل توجهی به دست آمد. نمونه اصلاحشده که فاقد هرگونه پوشش محافظ (Unencapsulated) بود، پس از ۷۲۰ ساعت (۳۰ روز) نگهداری در شرایط سخت محیطی شامل دمای ۸۰ درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی ۸۰ درصد، همچنان بیش از ۹۱٫۶ درصد از راندمان اولیه خود را حفظ کرد که نشاندهنده دوام بسیار مطلوب این روش اصلاحی است.
پژوهشگران تأکید میکنند که دوپینگ با یونهای فلزی در سالهای اخیر به یکی از روشهای رایج برای بهبود عملکرد سلولهای خورشیدی پروسکایتی CsPbBr₃ تبدیل شده است. آنها به مطالعات پیشین اشاره میکنند که در آنها از دوپانتهایی مانند ساماریوم (⁺Sm³) با دستیابی به راندمان ۱۰٫۱۴ درصد، استرانسیم (⁺Sr²) با راندمان ۹٫۶۳ درصد و قلع (⁺Sn²) که راندمان را از ۶٫۸۵ درصد به ۸٫۶۳ درصد افزایش داده است، استفاده شده بود.
به گفته محققان، روی (Zn) به دلیل هزینه پایین، فراوانی طبیعی، سمیت کم و پایداری شیمیایی در حالت اکسیداسیون +۲، گزینهای بسیار مناسب برای اصلاح ساختار پروسکایت محسوب میشود. همچنین نتایج مطالعات پیشین نشان دادهاند که دوپینگ کنترلشده با یون Zn²⁺ میتواند بلورینگی و اندازه دانهها را در فیلمهای پروسکایتی بهبود بخشیده و در نتیجه عملکرد نهایی سلولهای خورشیدی را ارتقا دهد.