صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA

پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی

شنبه, 16 آذر 1398 ساعت 01:14
خواندن 1153 دفعه

 

نسل جدید سلول های خورشیدی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی

گزارشات اخیر طول نفوذ بیش از μm1 را برای الکترون-حفره در پروسکایت های ترکیبیِ هالوژن دارِ آلی-معدنی نشان داده اند.

این مشاهدات انتظارات را در زمینه ی ساخت سلول های خورشیدی ارزان و کارآمد بالا برده است [1].

موادی که فرمول شیمیایی آنها ABX3 و ساختار مکعبی دارند به عنوان مواد پروسکایت شناخته می شوند و این نام پس از کشف ترکیب CaTiO3 مورد استفاده قرار گرفت [2].

در این فرمول شیمیایی جایگاه ها ی A و B می توانند کاتیون های غیر آلی با ظرفیت و شعاع یونی متفاوت باشند.

به روش دیگر، گونه های آلی مناسب می توانند جایگزین کاتیون A شده و مواد ترکیبی آلی-غیرآلی را تولید کنند [3] (شکل 1).

 

 

perovskite under solar

شکل ‏1: ساختار بلوری امکانپذیر پروسکایت های هالوژن دار CH3NH3PbI3.

خواص فیزیکی جالب توجهی مانند مقاومت مغناطیسی[1]، فروالکتریسیته[2] و ابررسانایی[3] در پروسکایت ها در طی یک قرن گذشته کشف شده است [3, 4]. به تازگی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی (بویژه CH3NH3PbX3 که X= I, Cl, Br) در نتیجه ی عملکرد بالایشان در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، با PCE گزارش شده ای فراتر از 20% در سال 2015 [4]، مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. این نتایج چشمگیرتر خواهند بود اگر بدانیم که نخستین سلول خورشیدی پروسکایتی در سال 2009 با PCE اندکی در حدود 8/3% گزارش شده بود [5].

این نمونه ی اولیه بر پایه ی معماری قدیمی سلول های خورشیدی حساس به رنگ ساخته شده بود که در آن ترکیبات آلی-معدنی بر روی لایه مزومتخلخل TiO2 قرار داده شده (شکل 2 ب) بود. کارهای اخیر نشان داده است که ساختارهای ساده تری با ایجاد یک لایه ی پروسکایتی ساندویچ شده بین یک لایه ی نازک و فشرده از TiO2 و یک ترکیب آلی هدایت کننده ی حفره (شکل 2 الف) نیز می تواند نور خورشید را با بازدهی بالاتر از 10% به الکتریسته تبدیل کند [6].

 

structure of perovskites

شکل 2: معماری سلول خورشیدی پروسکایتی. الف) سلول خورشیدی پروسکایتی لایه ای. ب) سلول خورشیدی پروسکایتی بر روی مزومتخلخل TiO2[7].

 

بطور قطع چنین شیبی در منحنی یادگیری در طراحی و توسعه ی پروسکایت های هیبریدی در زمینه تحقیقات فوتوولتائیک بی سابقه بوده است. با این حال کشف مکانیزم پشت این عملکرد استثنایی با چنین سرعتی رشد نکرده است.

تحقیقاتی که به تازگی توسط هنری جی اسنیت[4] و همکارانش [8] و تز سی سام[5] و همکارانش [9] بطور مستقل از یکدیگر پیرامون اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره در پروسکایت های هیبریدی در نشریه ساینس[6] منتشرشده است، مسیر کشف دینامیک برانگیختگی های اکسیتونی[7] را در این مواد روشن تر کرده است. هر دو تیم به کمک آزمایش نورتابی[8] موفق به اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره شدند.

آن ها بر روی یک لایه ی نازک پروسکایتی، لایه ای از مولکول های خاموش کننده[9] نشاندند تا به مانند چاهی برای الکترون-حفره هایی که درون لایه ی نازک حرکت می کنند و به سطح لایه ی پروسکایتی و لایه ی خاموش کننده می رسند، عمل کنند. این نورتابی مواد مورد مطالعه بستگی به ضخامت لایه ی نازک و طول نفوذ (LD) ذرات برانگیخته ی نوری دارد که این پارامتر را می توان به کمک مدل کردن منحنی واهلش نورتابی بر اساس معادله ی پخش یک بعدی ساده استخراج کرد.

یکی از چالش برانگیزترین جنبه های این تکنیک تعیین دقیق "طول جابجایی[10]" ذرات برانگیخته می باشد. به عبارت دیگر ضخامت لایه ی مورد بررسی می بایست دقیقا مورد کنترل قرار گیرد تا کمترین خطا را در محاسبه ی LD داشته باشیم. در همین رابطه، تلاش های اسنیت و همکارانش در زمینه ی بهینه سازی ضخامت لایه ی پروسکایتی [7] که در کارهای گذشته ایشان انجام شده امکان یک برآورد قابل اعتماد از طول نفوذ الکترون-حفره را فراهم آورد. هر دو گروه، LD حدود nm 100 را برای الکترون و حفره در ترکیب CH3NH3PbI3 گزارش کردند. به علاوه، گروه اسنیت پروسکایت های ترکیبی از هالوژن ها (CH3NH3PbI3-xClx) را نیز بررسی کردند و در این موارد، LD فراتر از μm 1 را بدست آوردند. این عدد بزرگ، امیدها را قوت بخشید زیرا در اینصورت امکان ساخت سلول های خورشیدی ای با لایه ی فعال ضخیمتری فراهم می شود. در این صورت جذب نور افزایش می یابد بدون آنکه بر روی بهره ی جمع آوری حامل های تولید شده تاثیری بگذارد. تحت این شرایط PCE بیش از 15% امکانپذیر خواهد بود.

 

اما چه چیزی همچنان مطالعه ی اینگونه مواد را به این اندازه هیجان انگیز کرده در حالی که PCE آن ها هنوز از نمونه های رایج فوتوولتائی دیگر مانند سلول تک بلور سیلیسیم (PCE حدود 25%) و لایه ی نازک مس-ایندیم-گالیم (PCE حدود 4/20%) فاصله دارد؟

پاسخ در هزینه ی تولید پایین تر تکنولوژی فوتوولتائی مبتنی بر پروسکایت نهفته است. در واقع، این مواد می توانند مستقیماً از حالت محلول لایه نشانی شوند، رهیافتی ارزان و تنظیم پذیر که مهمترین چالش تکنولوژی های جایگزینی مانند فوتوولتائی های آلی[11]، سلول های خورشیدی حساس به رنگ و سلول های خورشیدی کلوئیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی[12] می باشد.

در مقابل اینگونه دستگاه ها، که در حال حاضر به نظر نمی رسد که قادر باشند بهره ی خود را به بیش از 10% برسانند، پروسکایت ها هم فرآیند ساخت ساده تر و هم بازده توان تبدیلی بالاتری دارند، که این ویژگی ها احتمالا به خاطر طبیعت هیبریدی آنان می باشد.

در واقع، ترکیبات آلی، پروسکایت ها را حل پذیر و فرآیند خودمونتاژی[13] آنها را تسهیل کرده و امکان لایه نشانی آنها را از حالت محلول فراهم نموده است. در همین حین، ترکیبات معدنی چهارچوب گسترده ای را به واسطه ی برهمکنش های قوی کووالانسی و یونی شکل می دهند که به احتمال زیاد عامل اصلی حفظ ساختار بلوری لایه های نشانده شده بوده و متضمن تحرک نسبتا خوب حامل های پروسکایت ها می باشد [3].

همانگونه که توسط اسنیت و همکارانش نشان داده شد، ساختارهای پروسکایتی آلایش یافته با هالوژن های مختلف منجر به طول نفوذ حامل های (یا اکسیتون) بیشتر از µm 1 شده است که این عدد نسبت به طول انتشار nm 10 گزارش شده برای سلول های خورشیدی مبتنی بر پلیمر-فلورن، قابل ملاحظه است [10].

پس از این نتایج جالب توجه و مشاهده ی بهره ی بالای این گونه سلول های خورشیدی، اکنون نوبت آن است که خواص فیزیکی ای که منجر به امیدبخش بودن پروسکایت های هیبریدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته می شود را تحلیل و بررسی کرد. نکته ی دیگری که باید به آن پرداخت، همانگونه که اسنیت و همکارانش در حال بررسی آن هستند، پاسخ به این سوال است که آیا حامل هایی که در این دسته از مواد تولید می شوند اکسیتون هستند یا ذرات آزاد باردار.

همچنین می توان جنبه های دیگری را نیز بررسی کرد:

  • تحرک الکترون و حفره ها در این ساختارها چگونه است؟
  • ساختار شیمیایی پروسکایت های هیبریدی چگونه است و چطور بر رفتارهای ترابردی ذرات تولید شده ی نوری تاثیر می گذارد؟
  • نقش دقیق هر یک از اتصالات پیشنهاد شده برای اینگونه از سلولهای خورشیدی چیست؟
  • آیا سلول های خورشیدی پروسکایتی پایدار هستند؟
  • و سرانجام، آیا امکان دارد که بتوان بهره ی اپتیکی و الکتریکی بالایی از ترکیبات آلی-معدنی بدون سرب بدست آورد تا آسیب های زیست محیطی و سمیت این تکنولوژی نوپا را در آینده کاهش داد؟

تنها یک تلاش گسترده و منظم قادر خواهد بود به این سوالات پاسخ داده و از یک عنوان هیجان انگیز به یک تکنولوژی گسترده و ارزان در زمینه ی سلول های خورشیدی منجر شود.

 

Reference:

[1]        Loi MA & Hummelen JC (2013) Hybrid solar cells: perovskites under the sun. Nature materials 12(12):1087.

[2]        Wenk H-R & Bulakh A (2016) Minerals: their constitution and origin (Cambridge University Press).

[3]        Mitzi DB (1999) Synthesis, structure, and properties of organic‐inorganic perovskites and related materials. Progress in inorganic chemistry:1-121.

[4]        Polyakov AO, Arkenbout AH, Baas J, Blake GR, Meetsma A, Caretta A, van Loosdrecht PHM, & Palstra TTM (2011) Coexisting ferromagnetic and ferroelectric order in a CuCl4-based organic–inorganic hybrid. Chemistry of Materials 24(1):133-139.

[5]        Kojima A, Teshima K, Shirai Y, & Miyasaka T (2009) Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society 131(17):6050-6051.

[6]        Eperon GE, Burlakov VM, Docampo P, Goriely A, & Snaith HJ (2014) Morphological control for high performance, solution‐processed planar heterojunction perovskite solar cells. Advanced Functional Materials 24(1):151-157.

[7]        Stranks SD & Snaith HJ (2015) Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature nanotechnology 10(5):391.

[8]        Stranks SD, Eperon GE, Grancini G, Menelaou C, Alcocer MJP, Leijtens T, Herz LM, Petrozza A, & Snaith HJ (2013) Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber. Science 342(6156):341-344.

[9]        Xing G, Mathews N, Sun S, Lim SS, Lam YM, Grätzel M, Mhaisalkar S, & Sum TC (2013) Long-range balanced electron-and hole-transport lengths in organic-inorganic CH3NH3PbI3. Science 342(6156):344-347.

[10]      Mikhnenko OV, Azimi H, Scharber M, Morana M, Blom PWM, & Loi MA (2012) Exciton diffusion length in narrow bandgap polymers. Energy & Environmental Science 5(5):6960-6965.

 


[1]Colossal magnetoresistance

[2]Ferroelectricity

[3]Superconductivity

[4]Henry J. Snaith

[5]Tze C. Sum

[6]Science

[7]Exciton excitation

[8]Luminescence

[9]Quenching Molecule

[10]Travelling distance

[11]Organic photovoltaic

[12]Colloidal quantum dot-based solar cell

[13]Self-assembly

نظرات


تصویر امنیتی تصویر امنیتی جدید

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05