ژاپن معادله انرژی سلولهای خورشیدی پروسکایت را حل کرد
پژوهشگران ژاپنی با ارائه یک مدل جهانی جدید برای درک رفتار انرژی در سلولهای خورشیدی پروسکایت گامی مهم در بهبود راندمان و پایداری این فناوری برداشتند. این مطالعه میتواند مسیر طراحی نسل بعدی سلولهای خورشیدی کمهزینه و پربازده را هموار کند.
به گزارش interestingengineering، سلولهای خورشیدی پروسکایت (PSC) در یک دهه گذشته بهعنوان یکی از امیدبخشترین فناوریهای انرژی تجدیدپذیر مطرح شدهاند؛ زیرا علاوه بر راندمان تبدیل انرژی بالا، قابلیت تولید با روشهای محلولی و هزینه پایین را دارند. ویژگیهایی مانند وزن کم و انعطافپذیری نیز باعث شده این سلولها برای کاربردهایی فراتر از پنلهای سنتی، از جمله پنجرههای خورشیدی، خودروها و تجهیزات قابل حمل، مورد توجه قرار گیرند.
یکی از پیشرفتهای مهم اخیر در این حوزه استفاده از لایههای تکمولکولی جمعآورنده حفره (Hole-Collecting Monolayers – HCMs) است؛ لایههایی بسیار نازک که وظیفه استخراج بارهای مثبت از ساختار پروسکایت را بر عهده دارند. این فناوری توانسته راندمان سلولهای خورشیدی تکپیوندی پروسکایت را تا ۲۶.۹ درصد افزایش دهد و همزمان پایداری آنها را بهبود بخشد.
با این حال یکی از چالشهای اساسی این فناوری درک ناقص از فیزیک بنیادی در مرز میان الکترود لایه HCM و ماده پروسکایت است. در حال حاضر مدلهای مختلفی برای توضیح تراز انرژی در این ناحیه وجود دارد که بهطور ناسازگار مورد استفاده قرار میگیرند؛ موضوعی که پیشبینی عملکرد و طراحی مواد جدید را به فرایندی مبتنی بر آزمون و خطا تبدیل کرده است.
برای حل این مشکل تیمی از دانشگاه چیبا به سرپرستی هیرویوکی یوشیدا نخستین مدل جامع و یکپارچه برای تراز انرژی در مرز الکترود/HCM/پروسکایت را توسعه داده است. این مدل یک چارچوب منسجم برای توضیح عملکرد لایههای جمعآورنده حفره در سیستمهای مختلف ارائه میدهد و میتواند بهعنوان راهنمای طراحی مواد جدید مورد استفاده قرار گیرد.
در این پژوهش از دو روش طیفسنجی پیشرفته شامل طیفسنجی فوتوالکترون فرابنفش و طیفسنجی فوتوالکترون معکوس با انرژی پایین استفاده شد تا ویژگیهای انرژی مواد بهدقت اندازهگیری شود. این روشها امکان تعیین پارامترهای کلیدی مانند تابع کار و انرژی یونش را فراهم کردند که نقش مهمی در رفتار بارهای الکتریکی در مرزهای بینلایهای دارند.
بر اساس مدل جدید مرز میان الکترود و لایه HCM تحت تاثیر دوقطبی بینسطحی قرار دارد؛ یعنی میدان الکتریکیای که از آرایش مولکولی لایه جمعآورنده حفره ایجاد میشود. در مقابل مرز میان HCM و پروسکایت با استفاده از نظریه ناهمجنسپیوندی نیمهرساناها توصیف میشود؛ چارچوبی استاندارد در فیزیک حالت جامد که رفتار اتصال دو ماده با تراز انرژی متفاوت را توضیح میدهد.
این مدل همچنین نشان میدهد که دو عامل کلیدی در کارایی جمعآوری بار نقش دارند: خمیدگی باند انرژی و ارتفاع سد انرژی بینسطحی. خمیدگی باند ناشی از میدانهای الکتریکی داخلی در مرز مواد است و سد انرژی نیز میزان دشواری یا سهولت انتقال بار بین لایهها را تعیین میکند.
به گفته یوشیدا این اثرات تنها به چند پارامتر بنیادین از جمله تابع کار الکترود، تابع کار لایه HCM و انرژی یونش مواد وابسته هستند. همین سادگی نسبی باعث شده مدل جدید بتواند بهطور دقیق توضیح دهد چرا برخی مواد عملکرد بهتری نسبت به سایرین دارند.
پژوهشگران برای اعتبارسنجی این مدل نتایج آن را با دادههای آزمایشگاهی در ترکیبهای مختلف مواد مقایسه کردند که تطابق بالایی میان پیشبینیها و نتایج تجربی مشاهده شد. این موضوع نشان میدهد که مدل ارائهشده میتواند ابزار قابل اعتمادی برای طراحی سلولهای خورشیدی پیشرفته باشد.
در نهایت تیم تحقیقاتی تاکید میکند که این چارچوب جدید نهتنها قواعد انتخاب مواد و اصول طراحی مولکولی برای لایههای جمعآورنده حفره را مشخص میکند بلکه میتواند زمان توسعه و هزینه تولید را نیز کاهش دهد. به گفته پژوهشگران این دستاورد میتواند به افزایش راندمان تبدیل انرژی و تولید سلولهای خورشیدی پایدارتر و قابلتکرارتر در نسلهای آینده منجر شود.
انتهای پیام/
