سرانجام پروسکایت‌ها چه خواهد شد؟
یکی از دشواری‌های آزمایش بر روی سلول‌های خورشیدی پروسکایت در آزمایشگاه پایداری پایین این مواد است. دانشمندان پس از ساخت این سلول‌ها تنها چند دقیقه وقت داشتند تا قبل از تخریب سلول‌ها عملکرد آن‌ها را ارزیابی کنند.
محققان مدت‌هاست که با تحقیق بر روی پروسکایت‌ها به دنبال تولید سلول‌های خورشیدی ارزان و فوق‌العاده کارآمد هستند. و اکنون چندین شرکت در زمینه تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایت در مقیاس تجاری، گام‌های بلندی برداشته‌اند. اما ناپایداری پروسکایت‌ها یک تهدید بزرگ در مسیر تجاری‌سازی آن‌ها و استفاده از آن‌ها در پشت‌بام‌ها و نیروگاه‌ها می‌باشد. اگرچه این شرکت‌های پیش‌رو می‌گویند که این چالش را حداقل به اندازه کافی برای ورود محصولات اولیه به بازار تا سال آینده حل کرده‌اند. اما این در حالی است که برخی محققان دیگر هنوز نسبت به این ادعا مشکوک هستند.
جوزف بری، سرپرست برنامه تحقیقات پروسکایت در آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا می‌گوید: «مردم از من می‌خواهند که بگویم من مطمئناً می‌دانم که این سلول‌ها پایدار خواهند بود، و این تلاش‌ها مؤثر خواهند بود و ما جهان را تسخیر خواهیم کرد. بخشی از من این سخنان را باور دارد، اما بخشی از من به عنوان یک دانشمند می‌گوید من داده‌ای برای اثبات این موضوع ندارم.»
پروسکایت‌ها مواد مصنوعی، ارزانی هستند که فرآیند تولید نسبتاً ساده‌ای هم دارند. پروسکایت متداول مورد استفاده در فتوولتاییک‌ها معمولاً متیل‌آمونیم‌سرب‌هالید است، اما خانواده پروسکایت شامل هزاران ماده‌ای است که از ساختار بلوری یکسانی برخوردار هستند.
با لایه‌نشانی این مواد بر روی یک بستر انعطاف‌پذیر، می‌توان سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک سبک و انعطاف‌پذیر ساخت. در حالی که در دهه‌های اخیر چندین ماده فتوولتاییک جدید ظهور کرده است، هیچ یک از آن‌ها تجاری‌سازی نشده و قابلیت رقابت با سیلیکون را ندارند.
برخی از شرکت‌های پروسکایت، مانند فناوری‌های سائول در ورشو، در تلاشند سیلیکون را به طور کلی کنار بگذارند. این شرکت که در سال 2014 تأسیس شد، فرآیند چاپ جوهرافشان را برای تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایت ایجاد شده بر روی یک پلاستیک انعطاف‌پذیر توسعه داد. وزن پنل حاوی سلول‌های سائول، تقریباً یک دهم صفحه سیلیکونی با اندازه مشابه است.
در ماه مه، سائول کارخانه‌ای افتتاح کرد که می‌تواند سالانه حدود 40000 مترمربع پنل تولید کند. این کارخانه برای تولید حدود 10 مگاوات انرژی کافی است، در حالی که برخی از کارخانه‌های تولید سلول‌های سیلیکونی صدها برابر بزرگتر هستند. در حالی که پروسکایت‌ها توانایی دستیابی به بازدهی بالا را دارند، بالاترین بازدهی ثبت شده برای این سلول‌ها حدود 25٪ است و بیشتر سلول‌های پروسکایت امروزی بسیار کوچک هستند و عرض آن‌ها کمتر از یک اینچ است.
از طرفی افزایش مقیاس دستیابی به بازدهی بالا را دشوارتر می‌کند. در حال حاضر، صفحات سائول، که یک متر عرض دارند، بازدهی حدود ۱۰٪ دارند. این در حالی است که پنل‌های سیلیکونی تجاری در اندازه‌های مشابه، معمولاً بازدهی حدود 20٪ دارند. اولگا مالینکیویچ، بنیانگذار و مدیر ارشد فناوری سائول می‌گوید که هدف این شرکت تولید یک سلول خورشیدی کاملاً پروسکایتی بوده و اگر این فناوری به اندازه کافی ارزان باشد، بازده پایین مهم نخواهد بود.
پنل‌های خورشیدی سیلیکونی به علت وزن زیاد بر روی بام‌های شیشه‌ای و یا پرده‌ها قابل استفاده نیستند. اما سائول در تلاش است تا این محدودیت‌ها را از بین ببرد و در حال آزمایش پرده‌های خورشیدی خود است. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی طول موج‌های نزدیک به نور قرمز را جذب می‌کنند، در حالی که پروسکایت‌ها می‌توانند برای جذب طول موج‌های مختلف تنظیم شوند. بنابراین با پوشش یک لایه پروسکایت بر روی سلول‌های سیلیکون می‌توان سلول‌های ترکیبی با بازدهی بالاتر از سیلیکون تولید کرد.
سلول‌های ترکیبی آکسفورد پی‌وی مانند سلول‌های سیلیکونی سنگین و صلب هستند. اما از آن‌جا که اندازه و شکل آن‌ها یکسان است، سلول‌های جدید می‌توانند به راحتی به در آرایه‌ها قرار گیرند و بر روی پشت بام یا مزارع خورشیدی اجرا شوند.
کریس کیس، مدیر ارشد فناوری آکسفورد پی‌وی می‌گوید این شرکت بر روی کاهش هزینه برق متمرکز است، یعنی معیاری که در نصب و راه‌اندازی سیستم و هزینه‌های کار طولانی مدت سلول مؤثر است. در حالی که لایه‌نشانی پروسکایت‌ها بر روی سیلیکون به هزینه ساخت آن می‌افزاید، او می‌گوید هزینه سلول ترکیبی در مدت زمان طولانی پایین‌تر از سلول سیلیکونی خواهد بود، زیرا این سلول‌های جدید بازدهی بیشتری دارند. آکسفورد در چند سال گذشته چندین رکورد جهانی در زمینه بازدهی این نوع سلول‌ها ثبت کرده است که اخیراً به 29.5٪ رسیده است.
نیمه‌رسانا میکروکوانتا، یک شرکت پروسکایت چینی مستقر در هانگژو، الهاماتی از سلول‌های خورشیدی سیلیکون گرفته و در حال تولید پنل‌هایی از سلول‌های صلب و محصور در شیشه است که از پروسکایت ساخته شده‌اند. بویی یان، مدیر ارشد فناوری این شرکت، می‌گوید: کارخانه پایلوت میکروکوانتا در سال 2020 افتتاح شد و تا پایان سال باید به ظرفیت 100 مگاوات برسد. این شرکت دارای صفحات نمایشی نصب شده در چندین ساختمان و مزارع خورشیدی در سراسر چین است.
پایداری پروسکایت‌ها طی چند سال، از چند دقیقه به چند ماه بهبود یافته است. اما بیشتر سلول‌های سیلیکونی که امروز نصب می‌شوند حدود 25 سال گارانتی دارند، که ممکن است پروسکایت‌ها هنوز نتوانند به آن برسند. پروسکایت‌ها به اکسیژن و رطوبت حساس هستند، زیرا ممکن است این عوامل با پیوندهای موجود در کریستال تداخل داشته باشند و الکترون‌ها را از حرکت مؤثر در مواد باز دارند. محققان همواره در تلاش بوده‌اند تا عمر پروسکایت‌ها را بهبود بخشند، که ازقبیل این اقدامات می‌توان به تغییر روش سنتز پروسکایت‌ها به منظور کاهش واکنش‌پذیری و تغییر روش بسته‌بندی پروسکایت‌ها در پنل‌ها، اشاره کرد.
آکسفورد پی‌وی، سائول و میکروکوانتا همگی معتقدند که چالش پایداری پروسکایت‌ها را حداقل به اندازه کافی برای فروش اولیه محصولات خود، حل کرده‌اند.
برآورد عملکرد طولانی مدت در سلول‌های خورشیدی معمولاً با آزمایش‌های تسریع شده انجام می‌شود. در این روش سلول‌ها یا پنل‌ها را تحت شرایط تنش بسیار زیاد قرار داده تا فرسایش آن‌ها طی چندین سال را شبیه‌سازی کنند. رایج‌ترین روش آزمایش سلول‌های سیلیکونی در فضای باز، مجموعه آزمایش‌هایی به نام IEC 61215 است.
آکسفورد و میکرو کوآنتا هر دو آزمایش‌های مربوط به عملکرد سلول را در این مجموعه گذرانده‌اند. مالینکیویچ در این باره می‌گوید، سائول برخی از آزمایش‌ها را پشت سر گذاشته است، اما هنوز روی آزمایش‌های دیگر مانند آزمایش رطوبت کار می‌کند. عبور از سری کامل معمولاً به معنای آن است که صفحه خورشیدی سیلیکونی حداقل 25 سال دوام خواهد آورد. اگرچه محققان نمی‌توانند تضمین کنند که آیا همین رابطه برای مواد جدید مانند پروسکایت‌ها هم قابل استفاده است یا خیر.
آکسفورد پی‌وی هزاران ترکیب سازنده خانواده پروسکایت را برای یافتن فرمول‌های پایدارتر آزمایش کرده است. این شرکت از افشای جزئیات عملکرد خودداری کرده است، اما کیس می‌گوید که آن‌ها اطمینان دارند محصولاتشان عمری مشابه سلول‌های سیلیکون خواهد داشت. این شرکت پنل‌های آزمایشی را در دسامبر 2019 بر روی یک بام در اروپای مرکزی نصب کرده است و کیس می‌گوید که تخریب این پنل‌های حاوی سلول‌های لایه‌ای پروسکایت آن‌ها مشابه پنل‌های سیلیکونی تجاری است.
یان به عنوان نماینده میکروکوانتا می‌گوید این شرکت سلول‌های آزمایشی را در فوریه سال 2020 در فضای باز نصب کرده است که امروزه هنوز با همان حداکثر قدرت نصب خود در حال فعالیت هستند.
سائول برای بهبود پایداری محصولات خود، تغییراتی در تماس‌های فلزی سلول و لایه پروسکایت ایجاد کرد. مالینکیویچ می‌گوید، اولین سلول‌های پروسکایت محصور در پلاستیک سائول حداقل 10 سال ضمانت عملکرد دارند. در حالی که سلول‌های سیلیکون عمر طولانی‌تری دارند، وی امیدوار است که قیمت پایین‌تر و سهولت نصب مشتریان را متقاعد کند که طول عمر کوتاهتر پروسکایت‌ها را بپذیرند.
برخی از محققان با این ادعاها قانع نشده‌اند. لتیان دو، محقق حوزه پروسکایت دانشگاه پوردو ایندیانا می‌گوید: «تا آن‌جا که من می‌دانم چالش پایداری کاملاً حل نشده است. تشخیص این که این شرکت‌ها چه کاری را انجام می‌دهند دشوار است زیرا پیشرفت‌های خود را مخفی نگه می‌دارند. اما قبولی در آزمون‌های خارجی مانند IEC 61215 امیدوارکننده است.»
آزمایشگاه دو یکی از چندین آزمایشگاهی است که اخیراً برای دریافت بودجه از وزارت انرژی ایالات‌متحده جهت حل برخی از مشکلات باقیمانده فناوری انتخاب شده است. در مارس 2021، این بخش 40 میلیون دلار کمک برای حمایت از تحقیقات در مورد پروسکایت‌ها تعیین کرد که بیشتر برای پروژه‌هایی با هدف بهبود پایداری این مواد و تسهیل فرآیند ساخت آن‌ها هزینه شد.
حتی اگر سلول‌های پروسکایت بودجه و توجه بیشتری به خود جلب کنند، اما فقط زمان نشان می‌دهد که آیا آن‌ها می‌توانند با سیلیکون رقابت یا همزیستی کنند.