مشکلات پیش روی توسعه ی سلول های خورشیدی پروسکایتی

با تمامی این ویژگی ها، هنوز برخی مسائل و مشکلات حل نشده مورد مناقشه وجود دارد.

در این میان، مهمترین نگرانی پیرامون دقت مقدار بازده های گزارش شده است. بطور خاص، رفتار پسمان^[1] منجر به وابستگی شدید جریان نوری^[2] به شرایط جاروب ولتاژ خروجی می شود که به ویژه در برخی سلول های خورشیدی پروسکایتی گزارش شده است [1].

این امر منجر به شک و تردیدهایی نسبت به اعتبار مقادیر گزارش شده ی بازدهی این سلول ها گردیده که ممکن است به پدیده ی پسمان مربوط باشد. محققین این رشته می بایست توجه مضاعفی را نسبت به صحت مطالعات خود چه در زمینه ی مواد و چه در زمینه ی تکنولوژی های مورد استفاده، بخصوص در مراحل اولیه، مبذول دارند.

خطرات مربوطه به عدم کاربرد دقیق تجهیزات و روش های توصیه شده، بارها مورد بحث قرار گرفته و دستورالعمل های شفافی برای جلوگیری از اشتباهات رایج در ارزیابی بهره ی تبدیل نور در تکنولوژی های فوتوولتائی وضع گردیده است [2-4].

رفتارهای غیرمعمولی که ممکن است منجر به تخمین های نادرست عملکرد دستگاه شود، می بایست بطور مفصل مورد بحث قرار گیرد و دستورالعمل های مشخصه یابی بر این اساس بروز شوند.

با تمام این ها، بازده تنها عامل تعیین کننده برای مناسب بودن یک قطعه برای کاربردهای واقعی نیست. پایداری عملیاتی^[3] و مدت زمانی که طول می کشد تا قطعه مستهلک شود، نیز می بایست مورد توجه قرار بگیرند.

تاکنون، پایداری عملیاتی رضایت بخشی برای پروسکایت ها گزارش نشده است.

متاسفانه، پایداری دمایی پایین مواد پروسکایتی پایه ی این نوع از سلول های خورشیدی، که در حدود دمای ̊C 70 می باشد، نشان می دهد که بحث پایداری این قطعات چالش بزرگی برای سلول های خورشیدی پروسکایتی خواهد بود [5].

بنابراین پایداری عملیاتی و طول عمر قطعات خورشیدی ساخته شده به کمک این مواد و مقاومت آن ها در برابر رطوبت از دیگر مواردیست که می بایست جهت کاربرد های گسترده ی صنعتی مورد توجه قرار گیرد.

ژیآو^[4] و همکارانش به تازگی گزارش داده اند که پروسکایت ها شدیدا نسبت به میدان الکتریکی واکنش نشان می دهند [6].

زمانی که میدان الکتریکی شدیدی به سلول های خورشیدی پروسکایتی اعمال شود، سلول به طور کامل قطبیده شده و قطبیدگی آن کاملا عوض می شود. در نتیجه در ماژول ها که تعداد زیادی سلول بصورت سری به یکدیگر متصل شده اند، اختلاف پتانسیل بزرگی پدید می آید. به تازگی، چنین اثری در سلول های خورشیدی سیلیکونی (بلوری) منجر به مشکلات جدی ای شده است، آن هم در تکنولوژی ای که باور عمومی بر خدشه ناپذیر بودن آن بوده است.

بنابراین، آزمایش های دقیق بیشتری برای ارزیابی پایداری سلول های پروسکایتی در کاربردها و وضعیت های واقعی نیاز است.

در نهایت یک موضوع بحث برانگیز دیگر در موفقیت تکنولوژی پروسکایتی باقی می ماند و آن پذیرش ماده سمی سرب است. در حالی که مقدار سرب بکار رفته بسیار اندک است (بسیار کمتر از یک گرم بر متر مربع) آیا یک تکنولوژی "سبز" حاوی سرب در شرایطی که استفاده از سرب در کاربردهای الکترونیکی ممنوع شده است، قابل پذیرش است؟

جایگزینی سرب بسیار چالش برانگیز خواهد بود. بازدهی بدست آمده از جایگزین های دیگر سرب مانند قلع کمتر از 10% بوده است. و این موضوع مانع بزرگی بر سر راه توسعه ی سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت خواهد بود.

References:

[1]        Snaith HJ, Abate A, Ball JM, Eperon GE, Leijtens T, Noel NK, Stranks SD, Wang JT-W, Wojciechowski K, & Zhang W (2014) Anomalous hysteresis in perovskite solar cells. The journal of physical chemistry letters 5(9):1511-1515.

[2]        Snaith HJ (2012) The perils of solar cell efficiency measurements. Nature Photonics 6(6):337.

[3]        Yang X, Yanagida M, & Han L (2013) Reliable evaluation of dye-sensitized solar cells. Energy & Environmental Science 6(1):54-66.

[4]        Luque A & Hegedus S (2011) Handbook of photovoltaic science and engineering (John Wiley & Sons).

[5]        Niu G, Guo X, & Wang L (2015) Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A 3(17):8970-8980.

[6]        Xiao Z, Yuan Y, Shao Y, Wang Q, Dong Q, Bi C, Sharma P, Gruverman A, & Huang J (2015) Giant switchable photovoltaic effect in organometal trihalide perovskite devices. Nature materials 14(2):193.

^[1]Hysteretic

^[2]Photocurent

^[3]Operational stability

^[4]Xiao

 مدل سازی خواص سلول های خورشیدی  در تئوری تابعی چگالیDFT

به منظور شناسایی مواد جدید برای ساخت نسل های جدید سلول های خورشیدی مانند سلول های خورشیدی پروسکایتی، اورگانیک و ... لزوم بررسی خواص ساختارهای مختلف به جد لازم است. در این بین با توجه به کار سلول های خورشیدی در طیف نور مرئی، هر ماده ای را نمی توان برای کار به عنوان ماده ی جاذب نور در این ادوات به کار برد. از این رو محاسبات ابتدا به ساکن می تواند پیش بینی های بسیار دقیقی در طراحی مواد جدید برای استفاده در سلول های خورشیدی در اختیار ما بگذارد.

در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص مختلف مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی فراهم می باشد که در زیر بصورت خلاصه قید شده است:

• • طیف های اپتیکی در رنج نور مرئی
  • پایداری ساختار در دمای کار ماده
  • انرژی بستگی اکسیتون های تشکیل شده پس از جذب فوتون فرودی
  • تاثیر زیرلایه بر خواص ماده ی جاذب
  • تاثیر لایه ی محافظتی بر خواص ماده ی جاذب

در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، برق و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

• Dunlap-Shohl, Wiley A., Trey B. Daunis, Xiaoming Wang, Jian Wang, Boya Zhang, Diego Barrera, Yanfa Yan, Julia WP Hsu, and David B. Mitzi. "Room-temperature fabrication of a delafossite CuCrO 2 hole transport layer for perovskite solar cells." Journal of Materials Chemistry A 6, no. 2 (2018): 469-477.
• Parras, J. P., A. R. Genreith-Schriever, H. Zhang, M. T. Elm, T. Norby, and R. A. De Souza. "Is ReO 3 a mixed ionic–electronic conductor? A DFT study of defect formation and migration in a B VI O 3 perovskite-type oxide." Physical Chemistry Chemical Physics 20, no. 12 (2018): 8008-8015.
• Liu, Xixia, Nengduo Zhang, Baoshan Tang, Mengsha Li, Yong-Wei Zhang, Zhi Gen Yu, and Hao Gong. "Highly stable new organic–inorganic hybrid 3D perovskite CH3NH3PdI3 and 2D perovskite (CH3NH3) 3Pd2I7: DFT analysis, synthesis, structure, transition behavior, and physical properties." The journal of physical chemistry letters 9, no. 19 (2018): 5862-5872.