حداقل نشت سرب و پایداری بیشتر در سلول‌های خورشیدی پروسکایت
تیم تحقیقاتی به سرپرستی مشترک پروفسور الکس جن کوان‌یو رییس دانشگاه سیتی‌یو، استاد شیمی و علوم مواد به همراه پروفسور خو ژنگتائو و دکتر زو زونگ‌لونگ از گروه شیمی اداره می‌شود. یافته‌های تحقیقاتی آن‌ها اخیراً در ژورنال علمی Nature Nanotechnology با عنوان «چارچوب فلزی-آلی دوبعدی برای سلول‌های خورشیدی پروسکایت پایدار، با حداقل نشت سرب» منتشر شده است.
در حال حاضر، بالاترین بازددهی تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی پروسکایت با سلول‌های خورشیدی پیشرفته مبتنی بر سیلیکون برابر است. با این حال، پروسکایت‌های به کار رفته، حاوی مقداری سرب هستند که یک نگرانی برای آلودگی احتمالی محیط‌زیست ایجاد می‌کند. پروفسور جن، متخصص سلول‌های خورشیدی پروسکایت، توضیح داد: «با کهنه شدن سلول‌های خورشیدی، بخش‌های سربی می‌توانند از طریق قطرات باران به داخل خاک نشت کنند و این امر تهدیدی سمی برای محیط زیست است.» وی افزود «برای استفاده از سلول‌های خورشیدی پروسکایت در مقیاس بزرگ مصارف تجاری، نه تنها به بازده تبدیل انرژی بالا بلکه به پایداری طولانی مدت دستگاه و نیز به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی نیاز است.»
پروفسور جن و دکتر زو با همکاری پروفسور خو، که متخصص در زمینه سنتز مواد است، با استفاده از چارچوب‌های دو بعدی فلزی-آلی در سلول‌های خورشیدی پروسکایت، تیم را برای غلبه بر چالش‌های فوق هدایت کردند. پروفسور جن به طور خلاصه دستیابی به موفقیت تحقیق خود را این گونه بیان کرد: «ما اولین تیمی هستیم که سلول‌های خورشیدی پروسکایت را با حداقل نشت سرب، پایداری طولانی مدت و بازده تبدیل انرژی بالا تولید می‌کنیم.»
لایه فلزی-آلی چندمنظوره
چارچوب فلزی - آلی قبلاً به عنوان داربست برای شکل دهی به رشد پروسکایت‌ها استفاده می‌شد. دانشمندان همچنین از آن‌ها به عنوان مواد افزودنی یا اصلاح‌کننده سطح برای غیرفعال‌سازی (برای کاهش واکنش سطح ماده) نقص پروسکایت‌ها، برای افزایش عملکرد و پایداری دستگاه استفاده کرده‌اند. با این حال، بیشتر چارچوب‌های فلزی – آلی سه‌بعدی عایق الکتریکی با تحرک کم بار هستند، بنابراین برای استفاده به عنوان مواد حامل بار مناسب نیستند.
اما چهارچوب‌های فلزی-آلی تهیه شده توسط پروفسور خو متفاوتند. آن‌ها ساختار دوبعدی لانه‌زنبوری مجهز به گروه‌های تیول بیشماری هستند که به عنوان یک ویژگی کلیدی به حساب می‌آید. آن‌ها میزان مناسبی از انرژی دارند که آن‌ها را تبدیل به یک لایه استخراج الکترون می‌کند (که «لایه جمع‌آوری الکترون» نیز نامیده می‌شود)، جایی که الکترون‌ها در نهایت توسط الکترود سلول‌های خورشیدی پروسکایت جمع می‌شوند. پروفسور ژو توضیح داد: «چهارچوب‌های فلزی-آلی ما که به کمک مهندسی‌مولکولی ساخته شده‌اند، دارای ویژگی نیمه‌هادی چندمنظوره هستند و می‌توانند برای افزایش کارایی استخراج بار استفاده شوند.»
به دام انداختن یون‌های سرب برای جلوگیری از آلودگی
از همه مهمتر، آرایه‌های متراکم گروه‌های تیول و دی‌سولفید در چهارچوب‌های فلزی- آلی، می‌توانند یون‌های فلزات سنگین موجود در الکترود پروسکایت را به دام بیندازند تا نشت سرب را کاهش دهند.
پروفسور جن توضیح داد: «آزمایش‌های ما نشان داد که چهارچوب‌های فلزی-آلی به عنوان لایه بیرونی سلول‌های خورشیدی پروسکایت بیش از 80٪ از یون‌های سرب نشت شده از پروسکایت تخریب شده را گرفته و کمپلکس‌های محلول در آب تشکیل می‌دهند که خاک را آلوده نمی‌کند. بر خلاف روش‌های کپسوله کردن فیزیکی مورد استفاده در کاهش نشت سرب در سایر مطالعات، مشخص شد که این جذب شیمیایی سرب در محل، توسط مؤلفه یکپارچه چهارچوب‌های فلزی-آلی در دستگاه برای کاربردهای عملی طولانی مدت موثرتر و پایدارتر است.
پایداری عملیاتی بلند مدت
علاوه بر این، این ماده یعنی چهارچوب‌های فلزی-آلی می‌تواند ضمن حفظ بازدهی بالا، از پروسکایت‌ها در برابر رطوبت و اکسیژن محافظت کند.
بازده تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی پروسکایت حاوی چهارچوب فلزی-آلی می‌تواند با ولتاژ مدار باز 1.20 ولت، به 22.02 درصد برسد. هم بازده تبدیل و هم ولتاژ مدار باز ثبت شده، از بالاترین مقادیر گزارش شده برای سلول‌های خورشیدی پروسکایت هستند. از طرفی، این دستگاه در محیطی با رطوبت نسبی 75 درصد، با حفظ 90 درصد از بازدهی اولیه خود پس از 1100 ساعت، پایداری بالاتری از خود را به نمایش گذاشت. در مقابل، بازده تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی پروسکایت بدون چهارچوب فلزی-آلی به میزان قابل توجهی کاهش یافت و به کمتر از 50% مقدار اصلی خود رسید.
سلول‌های خورشیدی پروسکایت حاوی چهارچوب فلزی-آلی 92٪ از بازده اولیه خود را تحت تابش مداوم نور به مدت 1000 ساعت در 85 درجه سانتی‌گراد حفظ کردند. دکتر ژو گفت: «این سطح از پایداری شرایط استاندارد تجاری‌سازی تعیین شده توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) را داراست.»
پروفسور جن افزود: «این نتیجه بسیار قابل توجه است که ثابت می‌کند روش چهارچوب فلزی-آلی ما از نظر فنی امکان‌پذیر است و پتانسیل تجاری‌سازی فناوری سلول‌های خورشیدی پروسکایت را دارد.»
سلول‌های خورشیدی پروسکایت بسیار کارآمد، برای کاربردهای انرژی پاک
تقریباً دو سال طول کشید تا تیم این تحقیقاتی به نتایج امیدوارکننده‌ای دست یابد. گام بعدی آن‌ها افزایش بیشتر بازدهی تبدیل انرژی و کشف راه‌های کاهش هزینه تولید خواهد بود. پروفسور جن در پایان گفت: «ما امیدواریم که در آینده تولید این نوع سلول‌های خورشیدی پروسکایت مانند" چاپ روزنامه "باشد و به راحتی در مقیاس بزرگ تولید شود و استفاده از سلول‌های خورشیدی پروسکایت بسیار کارآمد در مقیاس وسیع، برای کاربردهای انرژی پاک را تسهیل کند.»