نانوساختارهای فتوولتائیک برای الکترونیک نوری
الکترونیک‌‌نوری چیست؟
همچنین، ترانزیستورهای نوری (phototransistors)، که انرژی الکترومغناطیسی یک سیگنال نوری را تشخیص می‌دهند و آن را به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند، در حوزه الکترونیک‌‌نوری قرار دارند. در سال‌های اخیر، این دستگاه‌های آشکارساز نوری توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند، چراکه پیشرفت‌های آن‌ها برای ایجاد دستگاه‌های آشکارساز نوری با کاربردهای آن در سنجش نور و مخابرات امکان‌پذیر است.
استفاده از نانومواد در فتوولتائیک
پیشرفت‌های اخیر در درک ما نسبت به نانوساختارها باعث انقلابی در حوزه الکترونیک‌‌نوری شده است. تحقیقات بیشتر در سنتز نانوساختارها منجر به موفقیت در ایجاد مواد جدید با ویژگی‌های فیزیکی مفید با کاربردهای عالی در الکترونیک‌‌نوری شده است. این امر منجر به بهبود عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی و ظهور حوزه‌های تحقیقاتی جدید شده است.
ثابت شده است که مواد پروسکایت در بخش فتوولتائیک الکترونیک‌‌نوری بسیار مفید هستند. فتوولتائیک به فرآیند تولید الکتریسیته از نور خورشید اشاره دارد. پنل‌های خورشیدی دارای یک سلول فتوولتائیک هستند که نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در حال حاضر، تمرکز بسیاری بر کشف چگونگی کارآمد کردن این سلول‌ها در تبدیل انرژی و کمک به افزایش ظرفیت انرژی سیستم‌های خورشیدی وجود دارد.
ساختار پروسکایت دارای ساختاری بلوری مشابه با کلسیم تیتانیوم اکسید (CaTiO3) است. این ماده به دلیل ساخت آن از نانوکریستال‌ها به‌عنوان یک نانوماده در نظر گرفته می‌شود. پروسکایت به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و بیوشیمیایی منحصر به فرد، گروهی جذاب از مواد برای استفاده در کاربردهای متعدد است. برای مثال، آن‌ها بسیار حساس هستند، از پایداری طولانی مدت بی‌نظیر و قابلیت ضد تداخلی برخوردار هستند. از سال ۲۰۰۹، پروسکایت در سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته است و در حال حاضر نسل جدید فناوری‌های فتوولتائیک به دلیل بازده تبدیل انرژی فوق‌العاده خود، مهم‌ترین حوزه مورد تحقیق محسوب می‌شود.
توسعه سلول خورشیدی پروسکایت
ده سال پیش، تیمی به رهبری تسوتومو میاساکا در استفاده از پروسکایت‌های هیبرید هالید در فتوولتائیک نوآوری کردند. محققان نوع جدیدی از سلول‌های خورشیدی را توسعه دادند که ترکیب ساختاریافته پروسکایت را به‌عنوان لایه فعال مسئول برداشت انرژی نور ترکیب می‌کند. درحالی‌که در آن زمان سلول‌ها ناکارآمد بودند و تنها بازده تبدیل انرژی برابر با ۳.۸ درصد را ارائه می‌دادند، بازده دو نوع سلولی که آن‌ها تولید کردند پس از ادامه کار بر روی بهبود عملکردشان از ۲۵ و ۲۸ درصد فراتر رفت. تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد، چراکه دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای بهبود سلول‌های خورشیدی پروسکایت هستند.
اولین پیشرفت‌های مهم در فناوری سلول خورشیدی پروسکایت سه سال پس از زمان اختراع آن (سال ۲۰۰۹) صورت گرفت. در سال ۲۰۱۲، دستگاه‌های فتوولتائیک پروسکایت حالت‌جامد توسط دانشمندان سوئیس و کره‌جنوبی ایجاد شدند که قادر به غلبه بر محدودیت‌های قبلی پایداری ضعیف مواد در سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ مایع بودند. همچنین، در سال ۲۰۱۲، پژوهشگران انگلیسی دریافتند که می‌توان از مواد برای انتقال بار الکترونیکی به الکترودهای سلول خورشیدی استفاده کرد و منجر به سلول‌هایی با راندمان بالاتر شد. این کشف منجر به تبدیل هالید به کانون مطالعات برای مواد فتوولتائیک شد.
پس‌ازآن، تلاش‌های تحقیقاتی با تمرکز بر فیزیک و شیمی منحصر به فرد مواد پروسکایت ادامه یافته که منجر به پیشرفت‌های چشمگیری در درک ما از عواملی چون ماهیت تله‌های بار، علل هیسترزیس در منحنی ولتاژ جریان، مهاجرت یونی، نقص و مرز دانه (grain boundaries) شده است، که همگی بر کارایی دستگاه تأثیر می‌گذارد. دانشمندان توانستند با درکی کامل از این عوامل، کارایی لایه پروسکایت سلول‌های خورشید را بهبود بخشند.
سلول‌های خورشیدی پروسکایت به بهبود کارایی خود ادامه می‌دهند
درحالی‌که کادمیوم تلورید و مس ایندیم گالیم سلنید فناوریی‌های سلول خورشیدی تثبیت‌شده‌تری هستند، بازده آن‌ها پیش‌ازاین توسط سلول‌های خورشیدی پروسکایت پیشی گرفته است. در حال حاضر سلول‌های خورشیدی پروسکایت تنها پس از فوتوولتائیک‌های سیلیکونی (که با بازده ۲۶.۶ درصد کمی جلوتر است) قرار دارند. به‌طور بالقوه در آینده سلول‌های خورشیدی پروسکایت سرانجام از سیلیکون سبقت می‌گیرند، زیرا همچنان تحقیقات بسیاری در زمینه کشف ماهیت مواد پروسکایت و چگونگی بهره‌برداری از آن‌ها در فتوولتائیک برای الکترونیک‌‌نوری انجام می‌شود.