انقلاب ساختار کریستالی در سلول‌های خورشیدی
همه مواد با ساختار معروف به پروسکایت، نیمه‌هادی نیستند، اما پروسکایت‌های ساخته شده از فلز و هالوژن، نیمه‌هادی هستند و پتانسیل فوق‌العاده‌ای به عنوان سلول‌های فتوولتاییک دارند. ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایت بسیار ارزان‌تر از سلول‌های مبتنی بر سیلیکون است که از زمان ساختشان در دهه ۱۹۵۰، در بازار بی‌رقیب هستند. به گفته محققان، شاید روزی سلول‌های خورشیدی پتانسیل کافی برای تصاحب بخش قابل توجهی از سهم سوخت‌های فسیلی در بخش انرژی را داشته باشند. جان لبرام از دانشکده مهندسی اوهایو، نویسنده دو مقاله اخیر در مورد پایداری پروسکایت، در مجله Journal of Physics و Physical Chemistry Letters، و نویسنده ارشد مقاله‌ای است که اکنون در مجله Science منتشر شده است.
این مطالعه در Science به سرپرستی محققان دانشگاه آکسفورد، نشان داد که یک افزودنی مولکولی - نمکی بر پایه ترکیب آلی پیپریدین، طول عمر سلول‌های خورشیدی پروسکایت را بسیار بهبود می‌بخشد.
یافته‌های ذکر شده در هر سه مقاله اطلاعات در مورد یک نیمه‌هادی جدید که حاصل کشف دیرینه یک معدن شناس روسی است، را تعمیق می‌بخشد. در سال ۱۸۳۹، گوستاو رز، در کوه‌های اورال، با ساختار بلوری جذابی از اکسید کلسیم و تیتانیوم رو به رو شد و آن را به افتخار نجیب‌زاده روسی، لو پروسکی، پروسکایت نامگذاری کرد. پرووسکایت اکنون به طیف وسیعی از مواد اشاره دارد که شبکه کریستالی مشابه ماده اصلی دارند. از سال ۲۰۰۹ و پس از آن که یک دانشمند ژاپنی به نام تسوتومو میاساکا، کشف کرد که برخی پروسکایت‌ها جاذب مؤثر نور هستند، توجه به آن‌ها افزایش یافت.
لبرام می‌گوید: «سلول‌های خورشیدی پروسکایت به دلیل هزینه کم، جایگزین مناسب‌تری برای سوخت‌های فسیلی هستند و پتانسیل بیشتری برای ایجاد تحول در بازار انرژی دارند. با این حال، یک جنبه درک نشده از این نوع مواد جدید، ثابت نبودن پایداری آن‌ها در زیر نور است، و این مسئله مانعی برای تجاری‌سازی آن‌ها بوده است.»
طی دو سال گذشته، گروه تحقیقاتی لبرام در دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر، دستگاه تجربی منحصر به فردی را برای بررسی تغییرات مواد خورشیدی در طول زمان ساخته‌اند.
لبرام افزود: «ما با همکاری دانشگاه آکسفورد، نشان دادیم که ناپایداری ناشی از نور حتی در صورت عدم وجود جریان الکتریکی، طی زمان طولانی رخ می‌دهد. این یافته‌ها به روشن شدن نتایج مشابه مشاهده شده در سلول‌های خورشیدی کمک می‌کند و کلید بهبود پایداری و دوام تجاری سلول‌های خورشیدی پروسکایت است.»
بازده سلول خورشیدی، درصدی از انرژی تابیده نور خورشید به سلول است، که به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌شود. هفت دهه پیش، آزمایشگاه‌های بل اولین سلول خورشیدی کاربردی را تولید کردند. طبق استانداردهای امروزی، میزان بازدهی آن اندک (۶٪) بود و ساخت آن بسیار هزینه‌بر بود. اما در تأمین انرژی ماهواره‌ها جایگاه ویژه‌ای پیدا کرد. با گذشت زمان، هزینه‌های تولید کاهش یافت و بازدهی بالا رفت. اگرچه بیشتر سلول‌ها تغییر چندانی نکرده‌اند و هنوز از دو لایه سیلیکون تقریباً خالص تشکیل شده‌اند که دارای یک ماده افزودنی هستند. آن‌ها، از انرژی حاصل از جذب نور برای ایجاد جریان الکتریکی استفاده می‌کنند.
در سال ۲۰۱۲، یکی از همکاران لبرام، به نام هنری اسنیث از آکسفورد، کشف کرد که پروسکایت‌ها نه تنها می‌توانند به عنوان یک ماده حساس به نور عمل کنند بلکه می‌توانند به عنوان مؤلفه اصلی در سلول‌های خورشیدی استفاده شوند. این امر منجر به طوفانی از فعالیت‌های تحقیقاتی و نشر سالانه هزاران مقاله علمی در این زمینه شد. بعد از هشت سال تحقیق، سلول‌های پروسکایت اکنون می‌توانند با بازدهی ۲۵٪ کار کنند - و این کار آن‌ها را حداقل در آزمایشگاه، با سلول‌های سیلیکونی تجاری، قابل مقایسه می‌کند.
سلول‌های پروسکایت را می‌توان با هزینه بسیار کم و از مواد شیمیایی صنعتی و فلزات که معمولاً در دسترس هستند تولید کرد و بر روی فیلم‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر چاپ و به صورت انبوه تولید کرد. برعکس، سلول‌های سیلیکون سخت و محکم هستند و از ویفرهای برش خورده نازک سیلیکونی تقریباً خالص در یک فرآیند پرهزینه و با دمای بالا ساخته می‌شوند.
یک مسئله در مورد پروسکایت‌ها عدم پایداری آن‌ها در دمای بالاست، و مسئله دیگر آسیب‌پذیری آن‌ها در برابر رطوبت است - ترکیبی که باعث تجزیه سلول‌ها می‌شود و برای محصولی که باید دو تا سه دهه در هوای آزاد دوام بیاورد، این یک مشکل اساسی به حساب می‌آید.
لبرام گفت: «به طور کلی، برای این که یک پنل خورشیدی بتواند در ایالات متحده و اروپا به فروش برسد، به ۲۵ سال ضمانت نیاز دارد. این در واقعیت به معنای آن است که سلول خورشیدی باید پس از ۲۵ سال حداقل ۸۰٪ بازدهی اصلی خود را حفظ کند. فناوری کنونی، یعنی سیلیکون، از این لحاظ بسیار مناسب است. اما سیلیسیم باید در گرمای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و در شرایط کنترل شده تولید شود تا بلورهای عالی و عاری از نقص تشکیل شود، تا سلول‌های ساخته شده به درستی کار کنند.»
لبرام گفت، از طرف دیگر پروسکایت‌ها در برابر نقص بسیار مقاوم هستند. آن‌ها می‌توانند در یک حلال حل شوند، سپس در دمای نزدیک به دمای اتاق بر روی سطح چاپ شوند. این بدان معنی است که آن‌ها می‌توانند با هزینه بسیار کمتری در مقایسه با سلول‌های سیلیکونی تولید شوند. با این حال، برای این اتفاق، آن‌ها باید با ضمانت ۲۵ ساله عرضه شوند و این امر مستلزم درک و بهبود پایداری این مواد است.
یک مسیر تجاری‌سازی، سلول‌های تاندم سیلیکون و پروسکایت است که می‌تواند طیف بیشتری از نور خورشید را به انرژی تبدیل کند. لبرام می‌گوبد: «آزمایش‌ها بر روی سلول‌های تاندم به بازدهی ۲۸ درصدی در محیط آزمایشگاه رسیده است و این بازدهی واقع‌بینانه به نظر می‌رسد. سلول‌های تاندم ممکن است به تولیدکنندگان پنل خورشیدی اجازه دهند تا به بازدهی فراتر از بازدهی سیلیکون تنها دست یابند. این رویکرد می‌تواند به رفع موانع ورود پروسکایت‌ها به بازار، در مسیری که پروسکایت‌ها در نهایت به عنوان سلول‌های مستقل عمل می‌کنند، کمک کند.»
وقتی صحبت از تولید انرژی می‌شود، مهم‌ترین عامل هزینه است. سلول‌های سیلیکونی و پرووسکایت‌ها در حال حاضر تقریباً بازدهی یکسانی دارند. با این حال، در دراز مدت، سلول‌های خورشیدی پروسکایت امکان تولید با کسری از هزینه سلول‌های خورشیدی سیلیکون را دارند. همان‌طور که تاریخ به ما نشان داده است، اقدامات سیاسی درمورد تغییرات دمای کره زمین تا حد زیادی بی‌اثرند. اما اگر بتوان از منابع تجدیدپذیر با هزینه کمتری نسبت به سوخت‌های فسیلی، برق تولید کرد، تمام آن‌چه باید انجام داد ساخت این محصول است و بازار خود ادامه راه را خواهد رفت.