پنل‌های خورشیدی با بازدهی ۳۳ درصد برای اولین بار آماده تولید انبوه هستند

چرا ترکیب پروسکایت و سیلیکون مهمه؟

در سلول‌های خورشیدی تاندوم، این ماده پروسکایته که وظیفه اصلی افزایش جذب نور رو به عهده داره. اما سیلیکون هم به این راحتی‌ها از صحنه خارج نمیشه و همچنان یک عنصر حیاتی به حساب میاد. دلیلش هم اینه که روش‌های تولید و ساخت پنل‌های سیلیکونی در طول سال‌ها به بلوغ کامل رسیده و در سراسر جهان به طور گسترده‌ای استفاده میشه. یعنی کارخونه‌ها و خطوط تولید همه برای کار با سیلیکون آماده هستن. برای همین، اگه بشه از همین سلول‌های سیلیکونی بافت‌دار که الان در تولید انبوه به کار میرن، به عنوان لایه پایینی سلول‌های تاندوم استفاده کرد، دیگه نیازی به تغییرات بزرگ و پرهزینه در خطوط تولید نخواهد بود و سلول‌های جدید به راحتی میتونن در چرخه‌های تولید فعلی قرار بگیرن. این یعنی یک صرفه‌جویی بزرگ در زمان و هزینه.

ایجاد بافت روی سطح سیلیکون، که معمولا به شکل هرم‌های خیلی ریزه، باعث میشه سطح تماس سلول با نور خورشید بیشتر بشه. وقتی سطح بیشتری در معرض نور باشه، طبیعتا نور بیشتری هم جذب میشه و بازدهی بالا میره. اما همین سطح ناهموار و هرمی شکل، یک چالش بزرگ ایجاد میکنه: کشیدن یک لایه صاف و یکدست از پروسکایت روی اون خیلی سخته. تا قبل از این تحقیق، فرایند پسیویشن موثر، که برای کاهش نقص‌های هدردهنده انرژی ضروریه، فقط روی سلول‌های خورشیدی با سطح صاف و تخت با موفقیت انجام شده بود. این یعنی تکنولوژی تاندوم با سلول‌های بافت‌دار که در صنعت رایج هستن، عملا به بن‌بست خورده بود.

رمز موفقیت این تیم تحقیقاتی چی بود؟

دکتر اوسامه الرجی، نویسنده اصلی این مقاله و دانشمند موسسه Fraunhofer ISE، توضیح میده که چطور تونستن این مشکل رو حل کنن. اون میگه: «تا الان، پسیویشن موثر روی سلول‌های خورشیدی تاندوم پروسکایت-سیلیکون که سطح بافت‌دار داشتن، به طور کامل به کار گرفته نشده بود و موفقیت‌های قبلی بیشتر محدود به ساختارهایی با سطح جلویی صاف بود. اما ما حالا موفق شدیم با رسوب دادن ماده‌ای به اسم ۱,۳-دی‌آمینوپروپان دی‌هیدرویدید روی سطح ناهموار پروسکایت، به یک پسیویشن عالی دست پیدا کنیم».

این رویکرد جدید نتایج فوق‌العاده‌ای به همراه داشت. تیم تحقیقاتی با استفاده از این روش تونست به بازدهی تبدیل انرژی ۳۳.۱ درصدی برسه. علاوه بر این، ولتاژ مدار باز این سلول هم به ۲.۰۱ ولت رسید که یک عدد قابل توجه در این حوزه محسوب میشه. این موفقیت نشون داد که دیگه مانع بزرگی برای استفاده از سیلیکون‌های بافت‌دار در سلول‌های تاندوم وجود نداره و میشه به تولید انبوه این پنل‌های پربازده فکر کرد.

یک کشف جالب: پسیویشن در پروسکایت متفاوت عمل میکنه

این پژوهش فقط به یک رکوردشکنی در بازدهی محدود نشد. محقق‌ها در حین کار متوجه یک تفاوت اساسی در نحوه عملکرد فرایند پسیویشن بین مواد مختلف شدن که درک ما رو از این تکنولوژی عمیق‌تر میکنه.

• در سیلیکون: فرایند پسیویشن فقط در سطح ماده اتفاق میفته. یعنی تاثیرش محدود به همون لایه بیرونیه.
• در پروسکایت: داستان کاملن فرق میکنه. این فرایند روی کل لایه جاذب تاثیر میذاره. این پدیده که بهش «اثر میدان عمیق» میگن، باعث شد رسانایی الکتریکی در لایه پروسکایت تقویت بشه و ضریب پری یا همون fill factor هم بهبود پیدا کنه. همه اینها در نهایت به افزایش عملکرد کلی سلول منجر شد.

پروفسور استفان دی ولف از دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله (KAUST) در این مورد میگه: «این درک جدید، یک پایه محکم برای تمام تحقیقات آینده در این زمینه فراهم میکنه. این کشف، فهم ما رو از فرایندهایی که در سلول بالایی هنگام تبدیل نور به برق اتفاق میفته، بیشتر میکنه و به دانشمندها این امکان رو میده که از این دانش برای توسعه سلول‌های تاندوم بهتر استفاده کنن». به عبارت دیگه، این فقط یک راه حل عملی نبود، بلکه یک پنجره جدید به روی دنیای علم این سلول‌ها باز کرد.

چرا اصلا پسیویشن انقدر برای پنل‌های خورشیدی مهمه؟

شاید اسم «پسیویشن» کمی فنی به نظر برسه، اما نقشش در دنیای انرژی خورشیدی حیاتیه. پروفسور استفان گلونز از دانشگاه فرایبورگ و موسسه Fraunhofer ISE، اهمیت این موضوع رو اینجوری توضیح میده: «پسیویشن سطحی سلول‌های خورشیدی فقط یک ویژگی خوب و لوکس نیست؛ بلکه یک تقویت‌کننده ضروری برای بازدهی و پایداری اونهاست».

وقتی یک سلول خورشیدی ساخته میشه، به طور طبیعی نقص‌هایی در ساختار کریستالی اون، به خصوص در سطحش، وجود داره. این نقص‌ها مثل تله‌هایی عمل میکنن که الکترون‌های آزاد شده توسط نور خورشید رو به دام میندازن و اجازه نمیدن به جریان برق تبدیل بشن. این یعنی هدر رفتن انرژی. پسیویشن در واقع یک جور فرایند بهینه‌سازی سطحه که این نقص‌ها رو خنثی یا ترمیم میکنه و باعث میشه انرژی کمتری هدر بره. در نتیجه، هم بازدهی سلول (اینکه چند درصد از نور رو به برق تبدیل میکنه) بالا میره و هم پایداری اون در طول زمان (اینکه چقدر میتونه عملکرد خوبش رو حفظ کنه) بیشتر میشه. برای همین، هر پیشرفتی در زمینه پسیویشن، یک گام بزرگ به سمت ساخت پنل‌های خورشیدی بهتر و اقتصادی‌تر به حساب میاد.

این تحقیق با حمایت چه نهادهایی انجام شده؟

این پژوهش مهم نتیجه همکاری چندین موسسه و پروژه بزرگ علمیه. این کار بر اساس پروژه اصلی موسسه فرانهوفر به اسم MaNiTU و همچنین پروژه‌هایی به نام‌های PrEsto و Perle انجام شده. بودجه این پروژه‌ها توسط وزارت فدرال امور اقتصادی و انرژی آلمان تامین شده. این حمایت‌ها نشون میده که کشورهای پیشرفته چقدر برای پیدا کردن راه‌های جدید در تولید انرژی پاک سرمایه‌گذاری میکنن.

با برداشتن مانعی که مقیاس‌پذیری و تولید انبوه این تکنولوژی رو محدود کرده بود، این تیم تحقیقاتی تونسته سلول‌های خورشیدی تاندوم پروسکایت-سیلیکون رو یک قدم بزرگ به واقعیت تجاری نزدیک‌تر کنه. نتایج کامل این مطالعه در مجله معتبر Science منتشر شده تا بقیه دانشمندان در سراسر جهان هم بتونن از اون استفاده کنن.