انرژی خورشیدی از پاکترین و در دسترسترین گزینههای تولید برق و انرژی است که سالهاست مورد توجه قرار گرفته است اما فناوریهای رایج دسترسی به آن با مسایلی نظیر هزینه بالا، پیچیدگی تولید و بهرهوری محدود روبهرو بوده است. در چنین شرایطی، سلولهای خورشیدی پروسکایتی بهعنوان نسل جدیدی از فناوری خورشیدی، امیدهای تازهای را زنده کردهاند. این سلولها که از هزینهای کمتر و بازدهی بالاتر برخوردارند، توانستهاند محدودیتهای فناوریهای پیشین را به چالش بکشند و نگاهها را بهسمت خود جلب کنند. پیرو این زمینه، پژوهشگرانی ازجمله دکتر محمد نذیرالدین، در توسعه این فناوری نوظهور نقش داشتند و نویدبخش دستیابی به انرژی پاک، پایدار و در دسترس برای همگان هستند.
جر قدیمی ساختمان سلول خورشیدی
وقتی درباره پنلهای خورشیدی حرف میزنیم، درواقع صحبت از واحدهای کوچکی به نام سلول خورشیدی است؛ سلولهایی که کنار هم چیده شدهاند تا انرژی نور خورشید را بگیرند و به برق تبدیل کنند. در نسل اول این فناوری، این سلولها از مادهای به نام سیلیکون ساخته میشدند.
در این ساختار، یک سلول خورشیدی از دو نوع سیلیکون با خواص متفاوت تشکیل شده است؛ نوع اول یا همان n-type، با ناخالصی فسفر دارای الکترون اضافی میشود و اضافه شدن عناصری مثل بور به نوع دوم یا همان p-type، باعث کمبود الکترون در آن میشود. در سیلیکون نوع p بهدلیل کمبود الکترون، جایگاههایی خالی با عنوان حفره ایجاد میشوند که خواستار پرشدن هستند؛ در نتیجه زمانی که این دو نوع کنار هم قرار گیرند، در ناحیه مرز بینشان، الکترونها از سمت n به p حرکت میکنند و حفرهها را پر میکنند. وقتی این انتقال الکترونها کامل شد، در اثر اختلاف بار ایجادشده بین دو نوع سیلیکون، ناحیهای خاص به نام ناحیه تخلیه شکل میگیرد. این ناحیه تحتتاثیر میدان الکتریکی داخلی ایجاد شده، مانع عبور آزادانه بیشتر الکترونها میشود. در این زمان است که دیگر امکان عبور الکترون از این مسیر کوتاه میان n-type و p-type وجود ندارد. این میدان مانند یک نگهبان و مانع عمل میکند، زیرا از ترکیب مجدد الکترونها و حفرهها جلوگیری میکند و در واقع یک مسیر جدید برای جریان یافتن الکترونها ایجاد خواهد شد. از این به بعد اگر انرژی ذرات نور باعث جدا شدن یک الکترون از مولکول سیلیکون شود، کمک میکند تا الکترون و حفره بهسمت مسیرهای مخالف بروند و جریان برق شکل بگیرد. الکترونهای آزادشده، بهسمت مدار بیرونی حرکت میکنند و پس از طی مسیر، دوباره به داخل سلول برمیگردند و با حفرهها ترکیب میشوند. این رفتوآمد مداوم، همان جریان الکتریکی است که از نور خورشید بهدست میآید.
قهرمانی به نام پروسکایت
سلولهای سیلیکونی برای سالها پایه و اساس پنلهای خورشیدی بودند اما با وجود موفقیتهای فراوان، هنوز با محدودیتهایی ازجمله بازده پایین، هزینههای بالا، پیچیدگی فرآیند ساخت و استفاده از موادی کمیاب در طبیعت مواجه هستند. این محدودیتها راه را برای ورود فناوریهای جدید باز کردند و نسل جدیدی از سلولهای خورشیدی با نام سلولهای پروسکایتی وارد صحنه شدند. کلمه پروسکایت در اصل به نوع خاصی از ساختار بلوری با فرمول کلی ABX اشاره دارد. ساختاری که در آن،A اغلب یک کاتیون آلی مثل متیلآمونیوم،B یک فلز مثل سرب و X یک هالوژن مانند ید است. گرچه عملکرد پایه این سلولها مشابه نوع سیلیکونی است، مواد تشکیلدهنده آنها بهدلیل ساختار بلوری منظم و انعطافپذیری شیمیایی، قادرند نور را بهخوبی جذب کرده و بارهای الکتریکی را بهصورت موثری منتقل کنند.
زیر چتر افزودنی
همانقدر که پروسکایتها نویدبخش هستند، در مواجهه با رطوبت و گرما پایداری ساختارشان کاهش مییابد. این ویژگی، یکی از موانع اصلی برای تجاریسازی گسترده آنهاست و اینجاست که تلاشهای محمد نذیرالدین نمود پیدا میکند. برای مقابله با این چالش، رویکردهایی گوناگون موردبررسی قرار گرفتهاند. ازجمله، ترکیب ساختارهای دوبعدی و سهبعدی که علاوهبر مقاومت بیشتر در برابر نفوذ رطوبت، موجب افزایش پایداری عملکرد در طولانیمدت نیز میشود.
در سلولهای پروسکایت، شبکه بلوری در سه بعد گسترش پیدا میکند و ساختاری سهبعدی را شکل میدهد. در روش ذکرشده، با اضافه کردن گروههای فلوئوردار مثل فلوئورو-فنیل اتیل آمین و پنتافلوئورو-بنزیل آمین به لایه سطحی، این لایه را به ساختاری دوبعدی تبدیل میکنند. ساختار ایجادشده آبگریز بوده و همانند سپر، از تجزیه بخش اصلی سلول جلوگیری میکند.
در پژوهشی دیگر، ترکیباتی مانند آلکیلفسفونیک اسید-آمونیوم کلراید معرفی شدند که بهعنوان پلهای مولکولی، لبههای بلورهای پروسکایت را به یکدیگر متصل میکنند و ساختاری یکپارچهتر و مقاومتر میسازند.
این اصلاح سطح موجب شد سلولها حتی پس از یک هفته قرارگیری در رطوبت ۵۵ درصد، همچنان بیش از ۸۰ درصد بازده اولیه خود را حفظ کنند، درحالیکه نمونههای فاقد این پوشش بهسرعت عملکرد خود را از دست دادند.
همچنین، پژوهشها نشان دادند که افزودن همزمان یک دوپانت مانند متیلآمونیوم کلراید (برای تنظیم ویژگیهای الکتریکی) و یک افزودنی مانند ۱و۳-بیسسیانومتیلایمیدازولیوم کلراید (برای بهبود کیفیت بلوری و شیمیایی)، موجب شکلگیری لایهای یکنواخت و پایدار از پروسکایت میشود. این همافزایی، نقش موثری در کاهش نقصها و افزایش عملکرد ایفا میکند. از سوی دیگر، استفاده از افزودنیهای فسفونیکاسید نیز به بهبود انسجام و نظم ساختار بلورهای پروسکایت کمک کرد. چنین بهینهسازیهایی، نهتنها بازدهی را از حدود ۹ درصد به بیش از ۱۶ درصد افزایش دادند، بلکه ثبات عملکرد سلولها را در شرایط رطوبت نسبی بالا بهطور چشمگیری بهبود بخشیدند.
الکترونها در تله انرژی
در مسیر افزایش بهرهوری و پایداری سلولهای خورشیدی پروسکایتی، درک دقیقتری از رفتار الکترونها و تراز انرژی لایهها نیز ضروری شد. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، سلول خورشیدی از چندین لایه تشکیل شده است که هرکدام نقش متفاوتی در تبدیل نور خورشید به برق ایفا میکنند. مهمترین این لایهها، لایه فعال است؛ جایی که نور جذب شده و الکترونها از اتمهای خود جدا میشوند تا جریان الکتریکی تولید شود. هر مادهای در این ساختار، دارای ترازهای مشخصی از انرژی برای الکترونهای خود است. اگر ترازهای انرژی بین لایهها مانند لایه جاذب و لایههای انتقال بار بهدرستی همتراز نباشند، الکترونها هنگام عبور انرژی از دست داده یا به دام میافتند. یکی از عوامل این گرفتاری، وجود تلههای انرژی است؛ نقاطی در ساختار ماده که بهدلیل نقص یا ناهماهنگی بلورها، الکترونها را به دام میاندازند و مانع از ادامه حرکت آنها در مدار میشوند. این پدیده باعث کاهش جریان، اتلاف انرژی و در نهایت افت بازدهی میشود. برای مقابله با این مشکل، راهکارهایی گوناگون ارایه شد. یکی از آنها نفوذ پلاسماهای غیرحرارتی به ساختار پروسکایتها بود که منجر به غیرفعال شدن تلههای انرژی ناشی از نقصهای بلوری و بهینه سازی ترازهای انرژی شد. همچنین، تلاشهایی برای بهینهسازی ترکیب شیمیایی لایه فعال نیز انجام گرفت.
گروه دکتر محمد نذیرالدین – برنده جایزه مصطفی (ص) در سال ۲۰۰۵ – با افزودن مقدار کنترلشدهای از یدید سرب (PbI2) اضافی به لایه پروسکایت، موفق به تشکیل بلورهای منظم و یکنواختتر شدند؛ بلورهایی که تلههای کمتری داشتند و بازدهی بالاتری ارایه میدادند. نتیجه این اصلاحات، دستیابی به سلولهایی با بازده بیش از ۲۰ درصد بود که حتی پس از قرارگیری در شرایط محیطی واقعی، بخش عمدهای از عملکرد خود را حفظ کردند. چنین پیشرفتهایی، نشان داد که رسیدن به ترکیب ایدهآل، تنها از مسیر شناخت عمیقتر و مهندسی دقیقتر رفتار بارهای الکتریکی میگذرد.
بلورهایی همگن با دغدغه سبز
در ادامه تلاشها برای بهینهسازی فرآیندهای ساخت، دکتر نذیرالدین روی بهبود روشهای ساخت سلولهای پروسکایتی تمرکز کرده است. یکی از چالشهای ساخت این سلولها، ایجاد لایهای همگن و باکیفیت از ماده جذبکننده نور بود؛ مشکلی که در روشهای اولیهای مانند رسوبدهی یکمرحلهای بهدلیل رشد نامنظم بلورها، نمود پیدا میکرد.
دکتر محمد نذیرالدین و همکارانش با معرفی روشی نوین بهنام رسوبدهی مرحلهای، در مسیر بهبود این زمینه حرکت کردند. فرآیندی دومرحلهای که در آن ابتدا یک لایه از یدید سرب ایجاد میشود و سپس با قرارگیری در معرض محلول هالید آلی به پروسکایت تبدیل میشود. در این روش، امکان کنترل بهتر بر رشد بلورها، افزایش یکنواختی و بهبود کارایی نهایی سلول فراهم شد.
سلولهایی که با این روش ساخته شدند، حتی پس از ۵۰۰ ساعت عملکرد خود را تا ۸۰ درصد حفظ کردند. با این حال پیشرفت در عملکرد، تنها بخشی از ماجراست. حفظ محیطزیست نیز به دغدغهای مهم در مسیر توسعه سلولهای پروسکایتی تبدیل شده است. یکی از چالشبرانگیزترین موضوعات، استفاده از عنصر سرب در ساختار این سلولهاست؛ فلزی سنگین و سمی که با وجود نقش کلیدی در افزایش بازده، نگرانیهایی جدی درباره ایمنی زیستمحیطی به همراه دارد. برای پاسخ به این چالش، پژوهشگران استفاده از ساختارهای کمسرب یا بدونسرب را نیز بررسی کردهاند و در بعضی موارد استفاده از قلع بهجای سرب پیشنهاد شده است.
هرچند این گزینههای جایگزین هنوز از نظر بازدهی به اندازه ترکیبات سربدار قدرتمند نیستند، گامی مهم در پیوند عملکرد بالا و مسوولیتپذیری زیستمحیطی محسوب میشوند. گروه نذیرالدین درنهایت توانستند با استفاده از یک پوشش مخصوص از نشت سرب در این سلولها جلوگیری کنند.
بهطور کلی، سلولهای خورشیدی پروسکایتی یک نوآوری اجتماعی هستند که امکان تامین برق ارزان و قابل اطمینان در مناطق محروم، کاهش وابستگی جهانی به سوختهای فسیلی و ارتقای عدالت انرژی را فراهم میکنند.
این دستاوردها با ۱۲ سال قدمت، امکان توسعه این نسل جدید از سلولهای خورشیدی با قابلیتهای کاربردی و تجاری را فراهم کرده و مسیر تحقق سامانههای انرژی پایدار و در دسترس را هموار ساختهاند.
همانطور که نذیرالدین میگوید: «مسیر زیادی را پیمودهایم. از بازدهی کمتر از ۱۰ درصد به بازدهی ۲۶ درصد رسیدهایم که این رقم بهطور رسمی تایید و در مقالات منتشر شده است. این پیشرفت بسیار بزرگی است. از نظر پایداری نیز پیشرفت قابلتوجهی داشتهایم و حالا میتوان گفت که این سلولها پایدار هستند و برای ورود به بازار آمادهاند. با اینحال چند سال دیگر طول خواهد کشید تا به کاربرد وسیع برسند. وقتی این اتفاق بیفتد، اغلب کشورهای درحالتوسعه و توسعهنیافته میتوانند بهراحتی آن را بپذیرند، چون از نظر فناوری یک محصول کمتکنولوژی محسوب میشود.»
دیدگاهتان را بنویسید