دستاورد جدید دانشمندان: ساخت سلول خورشیدی تمام‌آلی با بازدهی بالا

دانشمندان با طراحی یک الکترود جدید و روش لمینیت پیشرفته، موفق به ساخت سلول خورشیدی تمام‌آلی با بازدهی بالا و ایمنی بیشتر شده‌اند. این سلول جدید به بازدهی ۸٫۷ درصدی در تبدیل توان دست یافته است؛ رقمی که بیش از ۲ برابر نمونه‌های پیشین است.

با شتاب‌گرفتن اقدامات جهانی برای مقابله با تغییرات اقلیمی، تقاضا برای انرژی خورشیدی نیز به‌طور مداوم افزایش می‌یابد. پنل‌های خورشیدی متداول که مبتنی بر سیلیکون هستند و درحال‌حاضر سهم عمده‌ای از بازار را در اختیار دارند، حاوی مواد شیمیایی خطرناک متعددی‌اند. این مواد در پایان عمر مفید پنل‌ها، چالش‌های زیست‌محیطی قابل‌توجهی ایجاد می‌کنند و دفع یا بازیافت آن‌ها پرهزینه بوده و با خطرات زیست‌محیطی همراه است.

علاوه‌براین، نگرانی‌های مشابهی درباره فناوری‌های نوظهور سلول‌های خورشیدی لایه نازک، مانند سلول‌های خورشیدی پروسکایتی وجود دارد. این سلول‌های نسل جدید با وجود عملکرد امیدوارکننده، ترکیباتی بالقوه سمی ازجمله ترکیبات سرب و اکسیدهای فلزی دارند که نگرانی‌های جدی در مورد پایداری بلندمدت و ایمنی در فرایند دفع آن‌ها ایجاد کرده است.

توسعه سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی (AOSC)

برای مقابله با این چالش‌ها، پژوهشگران به توسعه سلول‌های خورشیدی لایه نازکی پرداخته‌اند که به‌طور کامل از مواد آلی مبتنی بر کربن ساخته شده‌اند. این سلول‌ها با عنوان «سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی» شناخته می‌شوند.

برخلاف نمونه‌های حاوی فلزات سنگین، سلول‌های خورشیدی آلی فلزات سمی ندارند و می‌توان آن‌ها را مانند پلاستیک‌های معمولی به‌صورت ایمن سوزاند. این ویژگی باعث می‌شود که سلول‌های تمام‌آلی از نظر دفع زباله و هزینه چرخه عمر، گزینه‌ای بسیار سازگارتر با محیط‌زیست باشند.

با وجود مزایای زیست‌محیطی، سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی درحال‌حاضر با چالش بازده پایین تبدیل انرژی مواجه‌اند و بازدهی آن‌ها معمولاً تنها حدود ۴ درصد است. این رقم بسیار کمتر از بازدهی بیش از ۲۷ درصدی سلول‌های سیلیکونی و بازده بیش از ۲۶ درصدی سلول‌های پیشرفته پروسکایتی است.

به همین دلیل، در جامعه علمی تلاش‌های گسترده‌ای در جریان است تا با بهبود عملکرد این فناوری، سلول‌های تمام‌آلی را به گزینه‌ای عملی و کارآمد در عرصه انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل کنند.

دستاورد جدید محققان؛ پیشرفتی چشمگیر در افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی

شماتیک سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی — شماتیک سلول‌های خورشیدی تماماً آلی و راندمان تبدیل انرژی آنها که در پژوهش حاضر و گزارش‌های قبلی شرح داده شده است.

به گزارش Scitechdaily، دکتر «ماساهیرو ناکانو»، دانشیار مؤسسه علوم و مهندسی در دانشکده شیمی دانشگاه کانازاوا، با همکاری پژوهشگرانی از شرکتREIKO Co., Ltd. ، و دانشگاه کوئینز کانادا، موفق به توسعه سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی با بالاترین بازدهی ثبت‌شده در جهان شده‌اند.

درحالی‌که بازدهی سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی پیشین به حدود ۴ درصد محدود بود، سلول‌های جدید توانسته‌اند به بازدهی بیش از ۲ برابر دست یابند و رکوردی تازه در این حوزه به ثبت برسانند. اما چگونه؟

توسعه الکترودهای شفاف بر پایه پلیمر

۲ مانع اصلی تاکنون عملکرد سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی را محدود کرده بود: اول، کمبود مواد آلی شفاف و رسانای مناسب برای استفاده به‌عنوان الکترود در سلول‌های خورشیدی لایه نازک. اگرچه پیش‌تر برخی مواد آلی با رسانایی بالا معرفی شده بودند، اما فرایند ساخت آن‌ها نیازمند استفاده از اسیدها، بازها یا عملیات حرارتی در دمای بالا (بیش از ۱۵۰ درجه سانتیگراد) بود که می‌توانست به لایه‌های آلی زیرلایه یا نیمه‌رسانا آسیب برساند.

نمونه‌ای از آسیب به لایه پایینی یک سلول خورشیدی که در فیلم‌های چندلایه، هنگام ساخت الکترودها با استفاده از روش‌های مبتنی بر محلول ایجاد شده است.

برای حل این مشکل، تیم پژوهشی الکترودی شفاف بر پایه پلیمر رسانای PEDOT:PSS توسعه داده است. این الکترود را می‌توان در دمای پایین‌تر (۸۰ درجه سانتیگراد) و بدون استفاده از مواد اسیدی یا بازی تهیه کرد. این الکترود از رسانایی مناسبی برخوردار است (مقاومت ورق کمتر از ۷۰ اهم بر مربع) و با ساختار سلول‌های خورشیدی لایه نازک کاملاً سازگار است.

لمینیت لایه‌ها با استفاده از الکترود نانولوله کربنی

دومین چالش، قراردادن لایه‌های متعدد روی هم درون ساختار سلول‌های خورشیدی لایه نازک، بدون آسیب رساندن به لایه‌های زیرین بود. در روش‌های رایج مبتنی بر محلول، جوهری که برای لایه‌های بالایی استفاده می‌شود می‌تواند به لایه‌های پایینی آسیب بزند.

لمینیت لایه‌ها با استفاده با استفاده از الکترود نانولوله کربنی — لمینیت لایه‌ها با استفاده از الکترود نانولوله کربنی

برای حل این مشکل، پژوهشگران روش لمینیت لایه‌ها با استفاده از الکترود نانولوله کربنی را توسعه داده‌اند که امکان افزودن لایه‌های جدید را بدون آسیب به لایه‌های زیرین فراهم می‌کند. در این روش، الکترودها به‌صورت جداگانه روی فیلم‌های محافظ سلول‌های خورشیدی شکل می‌گیرند و سپس به دستگاه متصل می‌شوند. این فرایند از آسیب‌دیدن فیلم‌های آلی زیرین در هنگام ساخت الکترود جلوگیری می‌کند.

با ترکیب الکترود شفاف آلی جدید و روش ساخت نوآورانه، تیم تحقیقاتی موفق به ساخت سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی با بازدهی تبدیل توان ۸.۷ درصد شده‌اند؛ عددی که بیش از ۲ برابر بازدهی مدل‌های قبلی (۴.۰ درصد) است و پیشرفت مهمی به‌سوی کاربردهای عملی سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی با عملکرد بالا محسوب می‌شود.

چشم‌انداز آینده و اهداف بهبود عملکرد

سلول‌های خورشیدی تمام‌آلی پتانسیل بالایی برای استفاده در محیط‌های حساس، مانند زمین‌های کشاورزی و دستگاه‌های پوشیدنی، دارند. وزن سبک و انعطاف‌پذیری این سلول‌ها، امکان نصب آن‌ها را در مکان‌هایی که استفاده از پنل‌های خورشیدی متداول دشوار یا غیرممکن است، فراهم می‌کند. درحال‌حاضر، تیم تحقیقاتی در تلاش است با بهبود رسانایی الکترودهای آلی عملکرد این سلول‌ها را ارتقا دهد.