توسط : پژوهشگران موفق شده‌اند سازوکار دقیق نقص‌های میکروسکوپی را که باعث از کار افتادن سلول‌های خورشیدی پروسکایت می‌شوند، شناسایی کنند.
برای درک بهتر این پدیده، تصور کنید چند شلنگ باغبانی به‌صورت متوالی به هم متصل شده‌اند. آب از شیر وارد شلنگ نخست می‌شود و پس از عبور از همه بخش‌ها، از سر شلنگ نهایی خارج می‌گردد. تا زمانی که مسیر باز است، جریان آب یکنواخت و قوی باقی می‌ماند. این حالت شبیه به نحوه اتصال سلول‌های خورشیدی در یک پنل است؛ نور خورشید الکترون‌هایی را تولید می‌کند (مانند جریان آب) که از هر سلول عبور کرده و در نهایت برق تولید می‌کنند.
حال فرض کنید یکی از شلنگ‌ها در میانه راه تا بخورد. جریان آب در همان نقطه متوقف می‌شود، اما فشار آب از سمت شیر همچنان افزایش می‌یابد تا اینکه نقطه ضعیف می‌ترکد. این همان چیزی است که هنگام سایه افتادن بر بخشی از یک پنل خورشیدی رخ می‌دهد: سلول سایه‌دار مانند شلنگ تاخورده عمل می‌کند. سایر سلول‌ها همچنان برق تولید می‌کنند و جریان را در فرایندی به نام «بایاس معکوس» به‌سمت سلول سایه‌دار بازمی‌گردانند. در گذر زمان، این بخش سایه‌دار بیش‌ازحد داغ شده، تجزیه می‌شود و درنهایت به‌طور دائمی از کار می‌افتد.
چرا راه‌حل‌های متداول مؤثر نیستند
در پنل‌های خورشیدی سیلیکونیِ مرسوم، مهندسان سال‌هاست این مشکل را شناسایی کرده و برای آن راه‌حلی به نام «دیود بای‌پس» طراحی کرده‌اند. این قطعه همانند یک مسیر فرعی عمل می‌کند که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی از بخش سایه‌دار یا «گرفتار» عبور نکند و از مسیر دیگری جریان یابد تا عملکرد کل سامانه ایمن و کارآمد باقی بماند.
با این حال، این روش برای سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت ــ که یکی از گزینه‌های اصلی نسل آینده سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا و هزینه پایین‌تر هستند ــ کارایی ندارد، زیرا این سلول‌ها غالباً «ضعیف‌تر» از آن‌اند که بتوانند چنین جریان معکوسی را تاب بیاورند. برای حل مسئله بایاس معکوس در سلول‌های پروسکایتی، نخست باید درک دقیقی از نحوه تخریب سلول در هنگام قرارگیری در وضعیت بایاس معکوس به‌دست آورد.
به گزارش سایتک‌دیلی، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی «مایک مک‌گی» از دانشگاه کلرادو بولدر و با همکاری دانشمندان آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا (NREL)، یافته‌های جدیدی را در مجله علمی Joule منتشر کرده‌اند که می‌تواند به رفع این چالش در مسیر تولید انبوه سلول‌های خورشیدی نسل جدید پروسکایتی کمک کند.
گروه تحقیقاتی «مک‌گی» سابقه‌ای طولانی در توسعه و بهینه‌سازی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی دارد. از سال ۲۰۱۸، تمرکز اصلی آن‌ها بر یک چالش حیاتی قرار گرفت: چه اتفاقی برای این سلول‌ها می‌افتد وقتی در سایه قرار می‌گیرند؟
پژوهشگران پیش‌تر مشاهده کرده بودند که حتی مقدار اندکی از بایاس معکوس می‌تواند موجب گرم‌شدن بیش‌ازحد مواد و در نتیجه «ذوب شدن» پروسکایت شود؛ پدیده‌ای که به تخریب سریع و غیرقابل بازگشت سلول منجر می‌شود.
اگرچه این مشاهدات به‌طور گسترده پذیرفته شده بود، اما علت دقیق این فرایند تخریب همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار داشت و موضوع بحث‌های فراوانی میان دانشمندان بود. «رایان دکرسنت»، یکی از پژوهشگران اصلی این مطالعه توضیح می‌دهد: «این سیستم‌ها بسیار پیچیده‌اند و گاهی تشخیص دقیق آنچه واقعاً درون سلول رخ می‌دهد دشوار است.» در همین نقطه، گروه مک‌گی وارد عمل شد تا سازوکار دقیق و علت اصلی این رفتار مخرب را شناسایی کند.
درک نقش نقص‌ها در تخریب سلول‌های پروسکایت
لایه پروسکایت در این سلول‌ها از طریق فرایند محلولی ساخته می‌شود. این روش را می‌توان به درست کردن پنکیک تشبیه کرد: شما مایه را آماده می‌کنید، آن را روی ماهیتابه داغ می‌ریزید و هم‌زمان چند اتفاق می‌افتد؛ آب تبخیر می‌شود، مواد جامد سفت می‌شوند، ضخامت به مقدار مایه‌ای که ریخته‌اید بستگی دارد، و درنهایت ممکن است حفره‌ها یا شکاف‌هایی روی سطح ایجاد شود.
در سلول‌های پروسکایتی نیز ترکیبات پروسکایت درون یک حلال ریخته می‌شوند؛ سپس این محلول بر لایه‌های زیرین دستگاه پخش و گرم می‌شود. با تبخیر حلال، لایه‌ای نازک تشکیل می‌گردد، اما معمولاً در آن نقص‌ها یا حفره‌هایی به‌وجود می‌آیند. این موضوع به‌ویژه در مورد پروسکایت‌ها جدی است، زیرا محلول پیش‌ماده آن‌ها ویسکوزیته پایینی دارد و در مرحله حرارت‌دهی، احتمال ایجاد نقص بسیار زیاد است.
برای درک بهتر تأثیر این نقص‌ها بر عملکرد سلول در حالت بایاس معکوس، لازم بود تا پژوهشگران با دقتی بی‌سابقه به ساختار این لایه نگاه کنند. رایان دکرسنت درباره روش کار گروه توضیح می‌دهد:
«بخش بزرگی از این تحقیق درواقع آماده‌سازی و ایجاد شرایطی بود که بتوانیم سطح سلول‌ها را با جزئیات بسیار زیاد بررسی کنیم.»
در این مطالعه، از چهار روش اصلی برای شناسایی و تحلیل نقص‌ها استفاده شد:
- تصویربرداری الکترولومینسانس (EL) با استفاده از دوربین با وضوح بالا،
- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)،
- میکروسکوپ لیزری کانفوکال روبشی (LSCM)،
- و ترموگرافی ویدئویی (Video Thermography).
پژوهشگران با استفاده از این ابزارها، تصاویر «قبل، حین و بعد از» قرار گرفتن سلول‌ها در شرایط بایاس معکوس را مقایسه کردند تا بتوانند روند شکل‌گیری و گسترش آسیب را به‌صورت دقیق دنبال کنند.
دوربین با وضوح بالا نشان داد که «نقاط ضعیف» موجود در ساختار سلول‌ها منشأ اصلی تخریب هستند. برای درک بهتر رفتار سلول‌های «کامل» و بررسی سریع تعداد زیادی نمونه (حدود ۱۰۰ عدد)، تیم پژوهشی تعداد زیادی دستگاه بسیار کوچک ساخت که لایه فعال آن‌ها تنها ۰.۰۳۲ میلی‌متر مربع مساحت داشت. برای مقایسه، عرض هر دستگاه تقریباً برابر با ضخامت دو تار موی انسان بود.
این ابعاد کوچک به پژوهشگران اجازه داد سلول‌هایی تقریباً عاری از نقص تولید کنند، زیرا ساخت فیلم‌های بدون نقص در ابعاد بزرگ بسیار دشوار است. ترکیب این نمونه‌های متعدد با تصویربرداری پیشرفته، امکان بررسی سریع و دقیق انواع گوناگون نقص‌ها را فراهم کرد.
مشاهده فرایند تخریب در زمان واقعی
استفاده از روش‌های تصویربرداری پیشرفته نه‌تنها در شناسایی نقص‌ها مؤثر بود، بلکه به درک دقیق‌تر از نحوه وقوع تخریب نیز کمک کرد. رایان دکرسنت توضیح می‌دهد: «ترموگرافی ویدئویی و تصویربرداری الکترولومینسانس ابزارهای فوق‌العاده قدرتمندی برای بررسی این نوع سلول‌ها هستند؛ به‌عنوان مثال، نقص‌هایی که معمولاً تشخیصشان دشوار است در این تصاویر به‌وضوح آشکار می‌شوند.»
در روش ترموگرافی، نقاط معیوب به‌صورت نواحی درخشان دیده می‌شوند، درحالی‌که در تصاویر الکترولومینسانس همان نواحی به‌صورت نقاط تاریک ظاهر می‌شوند. ترکیب این دو روش، روشی بسیار دقیق و قابل اعتماد برای نقشه‌برداری از محل نقص‌ها ارائه داد. این تصاویر به‌روشنی نشان دادند که تخریب دقیقاً از همان نقاط آغاز می‌شود.
شواهد تیم پژوهشی به‌طور قاطع نشان می‌دهد که نقص‌هایی مانند حفره‌ها و نواحی نازک در لایه پروسکایتی، همان مکان‌هایی هستند که شکست در حالت بایاس معکوس از آن‌جا شروع می‌شود. تصاویر ترموگرافی نشان دادند که در این نقاط، ماده به‌سرعت داغ و ذوب می‌شود و در نتیجه اتصال کوتاهی میان دو لایه تماس سلول رخ می‌دهد. در مقابل، سلول‌های فاقد نقص پایداری چشمگیری از خود نشان دادند و توانستند ساعت‌ها در حالت بایاس معکوس کار کنند، بدون آنکه هیچ نشانه‌ای از تخریب در آن‌ها دیده شود.
این سطح از درک جزئی و دقیق، برای آینده فناوری سلول‌های خورشیدی پروسکایتی حیاتی است. پژوهش جدید مسیر روشنی پیش‌روی دانشمندان و مهندسان قرار می‌دهد: برای ساخت سلول‌های پروسکایتی پایدارتر و مقاوم‌تر، باید بر تولید فیلم‌های بدون حفره و استفاده از لایه‌های تماسی مقاوم‌تر تمرکز کنند تا از بروز آسیب‌های حرارتی ناگهانی و غیرقابل‌بازگشت جلوگیری شود.
این پژوهش یک گام کلیدی در مسیر تجاری‌سازی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به‌شمار می‌رود و اهمیت رویکردهای علمی دقیق و مبتنی بر جزئیات را در حل مسائل پیچیده برجسته می‌کند. اکنون با درک عمیق‌تری از سازوکارهای تخریب در اختیار، دانشمندان می‌توانند سلول‌هایی با دوام طولانی‌تر طراحی کنند تا این مواد نویدبخش بتوانند به پتانسیل واقعی خود در آینده انرژی جهان دست یابند.
بیشتر بخوانید: سلول خورشیدی پروسکایت چیست؟ | انواع، ساختار و ویژگی‌ها
