سلول‌های خورشیدی آلی، جایگزینی سبک‌وزن، انعطاف‌پذیر و مبتنی بر کربن برای سلول‌های سیلیکونی هستند و ظرفیت زیادی برای استفاده تجاری دارند، بااین‌حال، لایه‌های ظریف این سلول‌ها معمولا در برابر گرما و تابش مداوم نور خورشید به‌سرعت تخریب می‌شوند.

گروهی از پژوهشگران موسسه فناوری و مهندسی مواد «نینگبو» (NIMTE) وابسته به آکادمی علوم چین (CAS)، برای حل مشکل پایداری این سلول‌ها، راهبردی مبتنی بر قفل‌ کردن مولکولی به کار گرفتند که لایه‌های ظریف سلول خورشیدی را به یکدیگر متصل می‌کند.

در این روش، یک لایه میانی ویژه به ساختار سلول افزوده می‌شود که مواد خورشیدی را از طریق پیوندهای شیمیایی به الکترودها متصل می‌کند. این ساختار، پیوندهای مولکولی محکمی ایجاد کرده که بازده تبدیل انرژی و دوام طولانی‌مدت پنل‌های بزرگ را بهبود می‌بخشند.

مشکل نسل جدید سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی آلی (OSCs) نور خورشید را با استفاده از لایه‌های مولکولی فوق‌نازکی به نام «تک‌لایه‌های خودآرا» (SAMs) جذب می‌کنند که روی الکترودهای شفاف قرار گرفته‌اند. اتصال میان الکترود و لایه آلی، ناپایدار است و در شرایط گرمای شدید و تابش مداوم نور، پیوندهای شیمیایی از یکدیگر جدا می‌شوند، درنتیجه لایه‌ها از سطح جدا می‌شوند و سلول از کار می‌افتد.

این مسئله سه‌گانه‌ای دشوار برای متخصصان سلول‌های خورشیدی ایجاد کرده که برقراری تعادل میان بازده بالا، پایداری طولانی‌مدت و امکان تولید تجاری در مقیاس گسترده است. تا پیش از این، بهینه‌سازی، یکی از این ویژگی‌ها، معمولا به بهای تضعیف ویژگی‌های دیگر تمام می‌شد.

گروه پژوهشی موسسه «نینگبو» برای تقویت فصل مشترک مشکل‌ساز سلول خورشیدی، یک لایه میانی فوق‌نازک از کلرید ایندیوم را وارد ساختار کرد که هنگام گرم‌ شدن، واکنشی موضعی انجام می‌دهد. این فرایند باعث خروج یون‌های کلر آزاد و تشکیل شبکه‌ای متراکم از پیوندهای به‌هم‌پیوسته میان ایندیوم، اکسیژن و فسفر می‌شود. شبکه شیمیایی حاصل مانند لنگری محکم عمل می‌کند و مولکول‌های خورشیدی را در جای خود ثابت نگه می‌دارد، به‌جای آنکه اتصال آن‌ها سست بماند.

آزمایش دوام

گرم‌ کردن ماده، واکنش شیمیایی‌ را آغاز خواهد کرد که یون‌های کلر آزاد را حذف می‌کند و پیوندهای محکمی میان ایندیوم، اکسیژن و فسفر به وجود می‌آورد. این فرایند شبکه‌ای محافظ و بادوام در سراسر سطح ایجاد می‌کند. لایه تازه تشکیل‌ شده، مواد سلول خورشیدی را محکم در جای خود نگه می‌دارد و پایداری کلی را به میزان زیادی افزایش می‌دهد.

پژوهشگران توضیح دادند: لایه میانی، تبادل لیگاند را آغاز می‌کند و شبکه‌ای هماهنگی از نوع ایندیوم ـ اکسیژن ـ فسفر، با پیوندهای چنددندانه‌ای، مستحکم، متراکم و یکنواخت تشکیل می‌دهد که «تک‌لایه‌های خودآرا» را به سطح متصل می‌کند.

این راهبرد بلافاصله عملکرد سلول‌ها را در تمام شاخص‌های اصلی آزمایش بهبود داد. سلول‌های آزمایشگاهی با سطح کوچک به بازده چشمگیر ۲۰.۴ درصدی تبدیل انرژی رسیدند. در مقابل، ماژول‌های بزرگ‌تر با سطح ۱۵.۶ سانتی‌متر مربع، بازده رکوردشکن ۱۸.۸ درصدی را ثبت کردند.

این دستگاه‌ها همچنین دوام چشمگیری نشان دادند و پس از ۲۰۰۰ ساعت کارکرد مداوم زیر تابش پیوسته نور، بیش از ۸۵ درصد از توان اولیه خود را حفظ کردند.

پروفسور لیو کوان، پژوهشگر این پژوهش گفت: این روش را به ماژول‌های بزرگ با سطح دهانه ۱۵.۶ سانتی‌متر مربع گسترش دادیم و به بازده تبدیل انرژی رکوردشکن ۱۸.۸ درصدی بر اساس سطح فعال دست یافتیم.

راهبرد عمومی قفل‌ کردن شیمیایی، مسیری برای آینده تجاری فناوری فتوولتائیک آلی فراهم می‌کند و رفع چالش سه‌گانه بازده، پایداری و تولید در مقیاس گسترده می‌تواند فناوری خورشیدی انعطاف‌پذیر را یک گام به تولید انبوه نزدیک‌تر کند.

بر اساس گزارش وب‌سایت اینترستینگ انجینیرینگ، در آینده، سطوحی مانند پنجره‌های آسمان‌خراش‌ها، سقف خودروها و پوشش ساعت‌های هوشمند ممکن است با استفاده از این اتصالات شیمیایی ظریف، بی‌سروصدا برق پاک تولید کنند.

نتایج این پژوهش در نشریه Joule منتشر شد.

انتهای پیام