مقدمه
به گزارش روابط عمومی شرکت تأمین انرژی برق ایرانیان تابان، تبدیل انرژی خورشیدی به برق یکی از چالش‌های بزرگ در دنیای مدرن است. در سال‌های اخیر، بهره‌وری تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی پروسکایت به بیش از ۲۶ درصد رسیده است. این پیشرفت قابل توجه به طراحی مواد موثر، جلوگیری از بازترکیب بار و بهینه‌سازی رابط‌ها در این سلول‌ها نسبت داده می‌شود. با این حال، مشکل پایداری همچنان مانع استفاده تجاری در مقیاس بزرگ این سلول‌ها است. برای بهبود پایداری، اخیراً تلاش‌هایی انجام شده است، از جمله استفاده از کاتیون‌های غیرآلی مانند سزیوم در پروسکایت‌های سه‌کاتیونی که پایداری حرارتی و رطوبتی بالایی دارند.
در یک مطالعه دیگر، افزودن ۱-متیل‌تیوئول به پروسکایت باعث کاهش عیوب حجمی و تثبیت یون‌های سرب می‌شود و به کاهش بازترکیب غیررادیوگرافی و بهبود پایداری در برابر هوا کمک می‌کند.
همچنین، لایه‌های انتقال الکترون برای عملکرد بالای سلول‌های خورشیدی پروسکایت ضروری هستند. در این زمینه، اکسید روی یکی از مواد اصلی است که می‌تواند در دماهای پایین فرآیند شود و در عین حال جذب نور عالی و تحرک بالای الکترون‌ها را فراهم کند. با این حال، رابط اکسید روی با پروسکایت از پایداری شیمیایی ضعیفی برخوردار است که پیشرفت آن را نسبت به دیگر مواد لایه انتقال الکترون مانند اکسید تیتانیوم و اکسید قلع محدود می‌کند. به همین دلیل، مطالعات زیادی برای کاهش این مشکل با استفاده از دوپینگ فلزی و اصلاح سطح انجام شده است.
آنالیز
در این مقاله، اکسید روی دوپ‌شده با نقره به میزان ۱ درصد وزنی به‌عنوان لایه بافر برای افزایش بهره‌وری تبدیل انرژی و پایداری بلندمدت در سلول‌های خورشیدی پروسکایت مبتنی بر اکسید روی بدون دوپ مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار از فرآیند مهندسی پخش نانوذرات استفاده شده تا مورفولوژی لایه اکسید روی دوپ‌شده با نقره به‌دقت کنترل شود. نتایج نشان می‌دهند که این لایه باعث کاهش عیوب و نرخ بازترکیب و افزایش پایداری سلول‌های خورشیدی پروسکایت در شرایط محیطی می‌شود.
|
|
|
شکل 1: سلول خورشیدی مبتنی بر اکسید روی
|
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM) نانوذرات اکسید روی بدون دوپ و نانوذرات اکسید روی دوپ‌شده با نقره ۱ درصد وزنی در شکل 2 و 3نمایش داده شده‌اند. نوع فلزات، غلظت‌های دوپینگ فلزی و شرایط سنتز بر اندازه نانوذرات تأثیر می‌گذارند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، اندازه نانوذرات اکسید روی بدون دوپ حدود ۵۵ تا ۷۸ نانومتر است. بر اساس شکل 3، نانوذرات اکسید روی دوپ‌شده با نقره ۱ درصد وزنی اندازه‌ای در حدود ۳۳ تا ۴۴ نانومتر دارند و تقریباً کروی هستند. بر اساس نتایج، اندازه نانوذرات اکسید روی بدون دوپ پس از دوپ‌شدن با نقره به دلایل مختلف کاهش می‌یابد. یکی از نظریات این است که دوپینگ فلزی از رشد کریستالی جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، دوپینگ فلزی ممکن است بر انرژی سطحی و واکنش‌پذیری نانوذرات تأثیر بگذارد.
|
|
|
|
شکل 3: اکسید روی با دوپنت نقره
|
شکل 2: اکسید روی
|
شکل 4 مقطع عرضی میکروسکوپ الکترونی روبشی را از سلول‌های خورشیدی پروسکاتی بر پایه اکسید روی دوپ شده با نقره نشان می‌دهد.
|
|
|
شکل :4 مقطع عرضی میکروسکوپ الکترونی روبشی را از سلول‌های خورشیدی پروسکاتی بر پایه اکسید روی دوپ شده با نقره
|
درگزارش‌های ارائه‌شده، دوپینگ نقره با غلظت یک درصد وزنی در اکسید روی باعث ایجاد تله‌های سطحی در لایه انتقال الکترون اکسید روی بدون دوپ می‌شود. این دوپینگ باعث افزایش حداکثر باند هدایت لایه انتقال الکترون اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی نسبت به اکسید روی بدون دوپ شده و در نتیجه جداسازی حامل‌های بار بیشتر، کاهش نرخ بازترکیب و افزایش استخراج حامل‌های بار می‌شود. به‌علاوه، دوپینگ نقره بهبود قابل توجهی در پارامترهای ولتاژ باز مدار، چگالی جریان کوتاه مدار، ضریب پرکنندگی و بهره‌وری تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی پروسکایت مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی نشان می‌دهد.
از سوی دیگر، افزایش ترشوندگی لایه بافر اکسید روی-نقره در مخلوط آب-اتانول باعث کاهش بهره‌وری تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی می‌شود. این کاهش به دلیل رشد دانه‌های نامنظم و عیوب تصادفی در لایه پروسکایت است که منجر به افزایش نرخ بازترکیب و کاهش استخراج حامل‌های بار می‌شود. در مقایسه، استفاده از مخلوط آب-اتانول برای رسوب لایه بافر اکسید روی-نقره منجر به کاهش تجمع تصادفی نانوذرات و بهبود جذب نور می‌شود که در نتیجه، بهره‌وری تبدیل انرژی بیشتری در سلول‌های خورشیدی به‌دست می‌آید.
نتایج نشان می‌دهند که سلول‌های خورشیدی مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/آب-اتانول-اکسید روی-نقره دارای بهره‌وری تبدیل انرژی بیشتری هستند که به دلیل کاهش ترشوندگی و بهبود کیفیت لایه پروسکایت است. همچنین، بهینه‌سازی ضخامت لایه بافر اکسید روی-نقره یک درصد وزنی برای بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی بسیار مهم است، زیرا ضخامت بیشتر باعث کاهش جذب نور و کاهش چگالی جریان فتوولتائیک می‌شود.
در نهایت، بهینه‌سازی سرعت چرخش در رسوب لایه بافر اکسید روی-نقره یک درصد وزنی باعث بهبود ویژگی‌های جریان-ولتاژ سلول‌های خورشیدی می‌شود. بهترین عملکرد در سرعت چرخش ۴۰۰۰ دور در دقیقه مشاهده شد.
|
|
|
شکل:5 نمودار J-V سلول‌های خورشیدی پروسکاتی بر پایه اکسید روی دوپ شده با نقره
|
نتیجه گیری:
در این مقاله، اکسید روی دوپ‌شده با نقره به میزان یک درصد وزنی به‌عنوان لایه بافر برای بهبود بهره‌وری تبدیل انرژی (PCE %) و پایداری بلندمدت در سلول‌های خورشیدی پروسکایت مسطح مبتنی بر اکسید روی بدون دوپ مورد بررسی قرار گرفت. در اینجا، روشی ساده برای کنترل مورفولوژی لایه بافر اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی پیشنهاد شده است. مورفولوژی لایه بافر (اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی) با افزودن اتانول به پخش نانوذرات اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی در آب دیونیزه برای لایه دوگانه انتقال الکترون اکسید روی/اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی قابل تغییر است. علاوه بر این، ترشوندگی پایین مخلوط‌های آب-اتانول-اکسید روی دوپ‌شده با نقره به‌عنوان لایه بافر موجب تشکیل لایه پروسکایت با عیوب کم در سلول‌های خورشیدی پروسکایت مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی می‌شود. بهینه‌سازی لایه دوگانه اکسید روی/مخلوط آب-اتانول-اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی منجر به ساخت سلول‌های خورشیدی با بهره‌وری تبدیل انرژی معادل ۱۰.۸۶٪ و مقادیر ولتاژ باز مدار (Voc)، چگالی جریان کوتاه مدار (Jsc)، و ضریب پرکنندگی (FF) به ترتیب ۰.۹۰ ولت، ۱۷.۰۵ میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع و ۰.۷۴ شد. این بهبود در بازده به تقویت بلورینگی پروسکایت، بهبود استخراج حامل‌های بار در لایه دوگانه انتقال الکترون و بهبود تماس بین لایه انتقال الکترون اکسید روی بدون دوپ و لایه پروسکایت در سلول‌های خورشیدی مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/مخلوط آب-اتانول-اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی نسبت داده می‌شود. علاوه بر این، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/مخلوط آب-اتانول-اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی پایداری بلندمدت بیشتری نسبت به سلول‌های خورشیدی مبتنی بر لایه دوگانه اکسید روی/آب-اکسید روی دوپ‌شده با نقره یک درصد وزنی در هوای محیط نشان می‌دهند (با حفظ ۱۰.۷۰٪ پایداری). در نتیجه، این روش نوآورانه عملکرد و پایداری محیطی سلول‌های خورشیدی مبتنی بر اکسید روی را بهبود می‌بخشد.
نویسندگان:
ژورنال:
Scientific Reports
لینک مقاله:
https://www.nature.com/articles/s41598-024-55379-w#citeas