لایه لایه کردن شکلهای معدنی مختلف اکسید تیتانیوم برای سلولهای خورشیدی بهتر

توضیح تصویر: تصویر شفاف تراز انرژی در میان اجزای دستگاه
 
محققان لایه‌هایی از اشکال معدنی مختلف اکسید تیتانیوم را روی یکدیگر قرار داده‌اند تا کارایی سلول‌های خورشیدی پروفسکایت را تا یک ششم بهبود بخشند. لایه اکسید تیتانیوم قادر بود الکترونها را از مرکز سلول به الکترودها منتقل کند. این رویکرد جدید حتی می‌تواند برای ساخت سلول‌های خورشیدی مؤثرتر از نوع پروفسکایت در آینده نیز مورد استفاده قرار گیرد.
 
در حالی که اکثر سلولهای خورشیدی از سیلیکون ساخته می‌شوند، ساخت این سلول‌ها دشوار است، و نیاز به اتاق‌های خلأ و درجه حرارت بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد دارد. بنابراین تلاش‌های تحقیقاتی اخیرا بر روی یک نوع جدید سلول خورشیدی متمرکز شده است که بر پایه پروفسکایتهای هالاید فلزی ساخته می‌شود. برای ایجاد سلول‌های خورشیدی کارآمدتر و کم هزینه‌تر، می‌توان از راه حل‌های پروفسکایت برای چاپ ارزان استفاده کرد. تلاش‌های تحقیقاتی اخیرا بر روی یک نوع جدید سلول خورشیدی متمرکز شده است که بر پایه پروفسکایتهای هالاید فلزی ساخته می‌شود.
 
در پروفسکایت‌ها سلول‌های خورشیدی می‌توانند نور را به برق تبدیل کنند اما باید بین الکترود منفی و مثبت قرار گیرند. با این وجود یکی از این الکترودها باید شفاف باشد تا بتوان نور خورشید را به پروفسکایتها رساند. نه تنها این، بلکه هر ماده دیگری که برای کمک به جریان بارها از پروفسکایتها به الکترودها استفاده می‌شود نیز باید شفاف باشد. محققان قبلا دریافتند که لایه‌های نازک اکسید تیتانیوم هم شفاف هستند و هم قادر به انتقال الکترون به الکترود می‌باشند.
 
در حال حاضر، یک تیم تحقیقاتی در ژاپن که در دانشگاه Kanazawa تمرکز کرده است، مطالعات دقیقتری را در مورد سلولهای خورشیدی پروفسکایتی انجام داده است که با استفاده از لایه‌های حمل و نقل الکترونیِ ساخته شده از آناتاز و بروکیت، که انواع مختلفی از اکسید تیتانیوم هستند، کار می‌کنند. آنها تأثیر استفاده از آناتاز خالص یا بروکیت یا لایه ترکیبی (آناتاز در بالای بروکیت یا بروکیتی در بالای آناتاز) را مقایسه کردند. مطالعه این تیم اخیرا در نشریه ACO Nano Letters منتشر شد.
 
لایه های آناتاز با اسپری کردن محلولها بر روی شیشه‌ای با یک الکترود شفاف که تا 450 درجه سانتیگراد گرم می‌شود، ساخته شده است. در همین حال، محققان از نانوذرات Broother محلول در آب برای ایجاد لایه‌های Brookite استفاده می‌کردند، زیرا جوهرهای محلول در آب از جوهرهای معمولی با محیط زیست سازگارتر هستند. این نانوذرات در گذشته نتایج ضعیفی کسب کرده‌اند؛ با این حال، تیم پیش بینی کرد که لایه‌های ترکیبی مسائل پیش از مواجه شدن با استفاده از نانو ذرات را حل کند. درک این که چگونه برای ساختن سلولهای خورشیدی پروفسکایت کارآمدتر اقدام کنیم، برای توسعه یک نسل جدید از سلولهای خورشیدی قابل چاپ و ارزان قیمت مهم است
 
کوجی تومیتا می‌گوید: "با لایه برداری بروکیت در بالای آناتاز، ما توانستیم میزان کارایی سلول‌های خورشیدی را تا 16.82 درصد بهبود بخشیم."
 
این نتایج راه جدیدی برای بهینه سازی سلول‌های خورشیدی پروفسکایت، از طریق کنترل انباشتگی و دستکاری انواع مختلف معدنی اکسید تیتانیوم، باز می کند.
 

توضیح تصویر: تصویر SEM مقطعی از PSC با اتصالات heterophase FTO-ETL ETL.
 
نویسنده اول مقاله، شهیدوزمن، می‌گوید: "استفاده از فازهای مختلف مواد معدنی و ترکیب این فازها، امکان کنترل بهتر انتقال الکترون از لایه پروفسکایت را فراهم می‌کند و همچنین از هزینه‌های بازسازی مجدد در مرز بین ماده پرنوکیت و لایه انتقال الکترون جلوگیری می کند." "هر دو این اثرات با هم به ما اجازه می‌دهد تا کارایی بیشتر سلول خورشیدی را به دست آوریم."
درک این که چگونه برای ساختن سلولهای خورشیدی پروفسکایت کارآمدتر اقدام کنیم، برای توسعه یک نسل جدید از سلولهای خورشیدی قابل چاپ و ارزان قیمت مهم است در حالی که آنها می‌توانند انرژی پاک را در آینده فراهم کنند.
 

 
توضیح تصویر: سطح انرژی از لایه انتقال الکترونی heterophase anatase-brookite.
 
محققان دانشگاه توکای در Nano Letters گزارش یک مطالعه سیستماتیک در مورد اثرات استفاده از اشکال مختلف اکسید تیتانیوم در سلولهای خورشیدی پروفسکایت را روی عملکرد دستگاه‌ها داده‌اند. سلول‌های خورشیدی پروفسکایت، با بهره‌وری فعلی 23 درصدی حداکثر تبدیل انرژی، وعده زیادی برای تولید انرژی فتوولتائیک از طریق دستگاههایی که برای ساخت و ساز آسان و ارزان هستند می‌دهند.
 
سلول‌های خورشیدی پروفسکایت، با بهره‌وری فعلی 23 درصدی حداکثر تبدیل انرژی، وعده زیادی برای تولید انرژی فتوولتائیک از طریق دستگاههایی که برای ساخت و ساز آسان و ارزان هستند می‌دهند. آنها سلول‌های مسطحی از یک لایه ساخته شده از مواد حساس به نور هستند با ساختاری که به نام پروفسکایت خوانده می‌شود و اغلب هیبریدی از مواد ارگانیک و غیر ارکانیک است. در این لایه، نور جذب شده باعث ایجاد بارهای حامل، الکترون و حفره می‌شود. این لایه‌ها به نوبه خود توسط الکترودها پوشیده شده‌اند، که یکی از آنها برای استفاده از نور وارد به دستگاه، شفاف است. بهبود عملکرد هر یک از این عناصر مهم است تا حداکثر بهره‌وری از سلول خورشیدی را افزایش دهد.
 
محققان توجه خاص خود را به لایه انتقال الکترون معطوف داشتند. مواد انتخابی برای این جزء اغلب اکسید تیتانیوم است که ساختار الکترونیکی آن را آسان می‌سازد تا الکترونها را از لایه پروفسکایت جمع آوری کند. اکسید تیتانیوم دارای چندین مولفه کریستالی از جمله آناتاز، brookite و روتیل است. آنها ساختارها و خواص مختلفی دارند و مورفولوژی متمایز آنها بر کیفیت لایه پروفسکایت تأثیر می‌گذارد، بنابراین انتخاب پلی مورف بر عملکرد کلی سلول خورشیدی تأثیر می‌گذارد، و درک این تاثیر برای بهینه سازی کارایی دستگاه ها اهمیت دارد. محققان متمرکز بر فرم‌های آناتاز و بروکیتی اکسید تیتانیوم هستند. آناتاز ارزان و شفاف است و به آسانی در سلولهای خورشیدی ادغام می‌شود و بنابراین انتخاب رایج برای لایه حمل و نقل الکترون است، اما بروکایت دارای خواص الکترونیکی امیدوار کننده‌ای است که می‌تواند به کارایی بهتر سلول خورشیدی منجر شود و هنوز به طور گسترده‌ای مورد بررسی قرار نگرفته است.
 
محققان از تکنیک کم دما و سازگار با محیط زیست برای تهیه نانوذرات Broother بسیار رسانا و تک کریستالی استفاده کرده‌اند که از آن برای تولید لایه‌های مبتنی بر آناتاز تک فاز و brookite استفاده می‌شود. به منظور مقایسه عملکرد لایه‌های مختلف انتقال الکترون، محققان ویژگی‌های مورفولوژیکی، اپتیکی و ساختاری خود را اندازه گیری کردند، رابط کاربری بین لایه‌ها و پروفسکایت را ارزیابی کردند و در نهایت عملکرد سلول‌های خورشیدی حاصل را اندازه گیری کردند.
 
بر گرفته از سایت فیز اُرگ
 

مترجم: علی رضایی میر قائد