رمز و راز سلول های خورشیدی جدید

رمز و راز سلول های خورشیدی جدید دارای عملکرد بالا وضوح خیره کننده فاش شد!

محققان دانشگاه کمبریج از مجموعه‌ای از روش‌های میکروسکوپ همبستگی و چندوجهی استفاده کرده‌اند تا برای اولین بار تجسم کنند که چرا مواد پروسکایت ظاهراً در برابر نقص‌های ساختار خود بسیار متحمل هستند. یافته‌های آن‌ها امروز (۲۲ نوامبر ۲۰۲۱) در Nature Nanotechnology منتشر شد.

متداول ترین ماده مورد استفاده برای تولید پنل های خورشیدی سیلیکون کریستالی است .اما برای دستیابی به تبدیل انرژی کارآمد به یک فرآیند تولید انرژی بر و زمان بر برای ایجاد ساختار ویفر مورد نیاز است. در دهه گذشته، مواد پروسکایت به عنوان جایگزین های مناسب برای این موضوع ظاهر شده اند.

نمک‌های سرب مورد استفاده در ساخت آنها بسیار فراوان‌تر و ارزان‌تر از سیلیکون کریستالی تولید می‌شوند و می‌توان آن‌ها را در جوهر مایعی تهیه کرد که به سادگی چاپ می‌شود تا لایه نازکی از مواد تولید شود. این نمک ها همچنین پتانسیل زیادی برای سایر کاربردهای الکترونیک نوری، مانند دیودهای ساطع نور کم مصرف(LED)  و آشکارسازهای اشعه ایکس نشان می دهند.

عملکرد چشمگیر پروسکایت ها شگفت آور است. مدل معمول آن ها برای یک نیمه هادی عالی، ساختار بسیار منظمی دارد، اما آرایشی از عناصر شیمیایی مختلف که در پروسکایت ها ترکیب شده اند، ساختار بسیار پیچیده ای ایجاد می کند. این ناهمگونی باعث ایجاد نقص در مواد شده و منجر به “تله” در مقیاس نانو می شود که عملکرد فتوولتائیک دستگاه ها را کاهش می دهد. اما علیرغم وجود این عیوب، مواد پروسکایتی همچنان سطوح کارایی به مراتب بهتر از جایگزین های سیلیکونی خود را نشان می دهند.

در واقع، تحقیقات قبلی این گروه نشان داده است که ساختار بی نظم در واقع می تواند عملکرد اپتوالکترونیک پروسکایت را افزایش دهد و جدیدترین تحقیق آنها به دنبال توضیح علت آن است. این گروه با ترکیب یک سری تکنیک‌های میکروسکوپی جدید، تصویر کاملی از چشم‌انداز شیمیایی، ساختاری و اپتوالکترونیکی این مواد در مقیاس نانو ارائه می‌کنند که برهمکنش‌های پیچیده بین این عوامل رقیب را آشکار می‌کند و در نهایت نشان می‌دهد که چه چیزی برتر است.

کایل فرونا، دانشجوی دکترا، توضیح می‌دهد: «آنچه می‌بینیم این است که دو شکل از اختلال داریم که به طور موازی اتفاق می‌افتند، اختلال الکترونیکی مرتبط با نقص‌هایی که عملکرد را کاهش می‌دهند و سپس اختلال شیمیایی فضایی که به نظر می‌رسد آن را بهبود می‌بخشد. و چیزی که ما دریافتیم این است که اختلال شیمیایی – اختلال “خوب” در این مورد – با دور کردن حامل های بار از این تله ها که ممکن است در غیر این صورت گرفتار شوند، اختلال “بد” را از نقص ها کاهش می دهد.”

با همکاری آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، تأسیسات سینکروترون منبع نور الماس در دیدکوت و مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا در ژاپن، محققان از چندین تکنیک میکروسکوپی مختلف برای مشاهده مناطق مشابه در فیلم پروسکایت استفاده کردند. سپس آنها می‌توانند نتایج حاصل از تمام این روش‌ها را مقایسه کنند تا تصویر کاملی از آنچه در سطح نانو در این مواد نویدبخش اتفاق می‌افتد را ارائه دهند.

ایده کار این است که ما کاری به نام میکروسکوپ چندوجهی انجام می دهیم، که روشی بسیار زیبا برای گفتن این است که ما به یک ناحیه از نمونه با چندین میکروسکوپ مختلف نگاه می کنیم و اساساً سعی می کنیم خواصی را که از یکی بیرون می آوریم با ویژگی هایی که می کشیم مرتبط کنیم. فرحنا می گوید. این آزمایش‌ها زمان‌بر و منابع فشرده هستند، اما پاداش‌هایی که از نظر اطلاعاتی که می‌توانید به دست آورید، عالی هستند.»

این یافته‌ها به این گروه و سایر افراد در این زمینه اجازه می‌دهد تا نحوه ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایت را به منظور به حداکثر رساندن کارایی، اصلاح کنند. مدت‌هاست که مردم واژه تحمل عیب را مطرح کرده‌اند، اما این اولین باری است که کسی آن را به‌درستی تجسم می‌کند تا بفهمد که واقعاً به معنای تحمل عیب در این مواد چیست.

با دانستن اینکه این دو اختلال رقیب در حال رقابت با یکدیگر هستند، می‌توانیم به این فکر کنیم که چگونه به طور مؤثر یکی را تعدیل می‌کنیم تا تأثیرات دیگری را به سودمندترین روش کاهش دهیم. میگل آنایا، پژوهشگر آکادمی مهندسی در دپارتمان شیمی مهندسی و بیوتکنولوژی کمبریج می‌گوید: «از نظر تازگی رویکرد تجربی، ما از یک استراتژی میکروسکوپی چندوجهی همبسته پیروی کرده‌ایم، اما تنها این رویکرد را پیش نگرفته ایم، هر تکنیک مستقل استفاده شده به تنهایی در لبه ی توانایی های تکنولوژی است.

«ما این ساختارها را تجسم کرده‌ایم و دلایلی ارائه کرده‌ایم که چرا می‌توانیم این مواد را مقاوم به نقص بنامیم. این روش استفاده شده، را های جدیدی را برای بهینه سازی در مقیاس نانو باز می‌کند تا در نهایت برای یک برنامه هدفمند عملکرد بهتری بدست بیاید. اکنون می‌توانیم به انواع دیگر پروسکایت‌ها نگاه کنیم که نه تنها برای سلول‌های خورشیدی، بلکه برای LED یا آشکارسازها نیز مفید هستند و اصول کار آنها را درک می‌کنیم.

حتی مهم‌تر از آن، مجموعه ابزارهای اکتسابی که در این کار ایجاد کرده‌ایم را می‌توان برای مطالعه هر ماده الکترونیک نوری دیگری گسترش داد، چیزی که ممکن است برای جامعه گسترده‌تر علم مواد مورد علاقه باشد. سام استرانکس، استادیار دانشگاه انرژی در گروه مهندسی شیمی و بیوتکنولوژی کمبریج می‌گوید: «از طریق این تجسم‌ها، ما اکنون بسیار بهتر از قبل چشم‌انداز نانومقیاس این نیمه‌رسانای‌های جذاب را درک می‌کنیم. «

این نتایج توضیح می‌دهد که چگونه بهینه‌سازی تجربی این مواد توسط متخصصان، این پروسکایت‌های ترکیبی مخلوط را به چنین عملکرد بالایی سوق داده است. اما همچنین طرح‌هایی را برای طراحی نیمه‌هادی‌های جدید نشان داده است که ممکن است ویژگی‌های مشابهی داشته باشند – که در آن می‌توان از بی نظمی برای تنظیم عملکرد استفاده کرد.