پنل خورشیدی پروسکایت نوعی سلول خورشیدی پیشرفته و نوظهور است که از مواد کریستالی خاص به نام پروسکایت به عنوان لایه اصلی جذبکننده نور خورشید استفاده میکند. این پنلها با فناوری فتوولتائیک کار میکنند، به این معنا که فوتونهای نور خورشید به سطح پروسکایت برخورد کرده و الکترونها را از حالت آرام به حالت برانگیخته میبرند. در نتیجه، بارهای الکتریکی مثبت و منفی (حفرهها و الکترونها) از یکدیگر جدا شده و جریان الکتریکی تولید میشود. برخلاف پنلهای سیلیکونی سنتی که ضخامت بیشتری نیاز دارند، پروسکایتها با لایه نازکی (کمتر از ۵۰۰ نانومتر) کارایی بالایی نشان میدهند و هزینه تولید آنها بسیار پایینتر است. ساختار کلی پنل شامل لایه شفاف رسانا (مانند ITO)، لایه حامل حفره، لایه فعال پروسکایت، لایه حامل الکترون و الکترود پشتی است که همه بر روی بستر شیشهای یا پلاستیکی انعطافپذیر قرار میگیرند.
عملکرد پنل خورشیدی پروسکایت بر پایه جذب گسترده نور مرئی و فرابنفش استوار است و با ضریب جذب بالا، ضخامت لایه فعال را به کمتر از ۵۰۰ نانومتر کاهش میدهد. در فرآیند، الکترونها از باند والانس به باند هدایت جهش کرده و با کمک لایههای حامل، به الکترودها هدایت میشوند. پنلها میتوانند در شرایط نور کم کار کنند و پتانسیل ادغام در ساختمانها را دارند.
پنل خورشیدی پروسکایت چیست؟
پنل خورشیدی پروسکایت نوعی سلول فتوولتائیک نسل جدید است که به جای سیلیکون از ساختار کریستالی پروسکایت برای جذب نور و تولید برق استفاده میکند. آزمایشگاههایی مانند NREL و Oxford PV گزارش کردهاند که این مواد ضریب جذب بالایی دارند و برای تولید لایههای نازک و انعطافپذیر مناسب هستند. مزیت مهم پروسکایت نسبت به سیلیکون، امکان تولید در دماهای پایین و با روشهای چاپی مانند printing و roll-to-roll است که هزینه نهایی را کاهش میدهد.
رشد راندمان در این فناوری بسیار سریع بوده و طبق دادههای بینالمللی از حدود ۳ درصد به بیش از ۲۵ درصد طی یک دهه رسیده است. در کنار مزایا، چالش پایداری وجود دارد و این پنلها نسبت به رطوبت، اکسیژن و تابش فرابنفش حساس هستند و سریعتر افت عملکرد میدهند. بخش زیادی از فرمولهای پروسکایتی حاوی سرب هستند و نگرانی زیستمحیطی ایجاد کردهاند و شرکتها را به سمت فرمولهای بدونسرب یا محصورسازی سوق دادهاند.
ساختار مواد پروسکایت و نقش یونهای هالید
مواد پروسکایت با فرمول کلی ABX₃ ساخته میشوند، جایی که A کاتیون آلی یا معدنی (مانند متیلآمونیوم یا سزیوم)، B کاتیون فلزی (معمولاً سرب یا قلع) و X یون هالید (یدید، برومید یا کلرید) است. ساختار کریستالی مکعبی، اجازه میدهد تا خواص الکترونیکی به راحتی تنظیم شود و باندگپ را از ۱.۵ تا ۲.۳ الکترونولت تغییر دهد. یونهای هالید نقش کلیدی در تعیین جذب نور و پایداری دارند. یدید برای جذب در محدوده مرئی مناسب است، در حالی که برومید و کلرید باندگپ را افزایش داده و پایداری را بهبود میبخشند.
در ترکیبهای هیبریدی مانند MAPbI₃ (متیلآمونیوم سرب یدید)، یونهای هالید به عنوان پلهای شیمیایی عمل میکنند که تحرک بارها را افزایش میدهند و نوترکیبی را کاهش میدهند. جایگزینی هالیدها، مانند استفاده از یدید-برومیوم مخلوط، کارایی را تا ۲۵ درصد میرساند، اما ممکن است ناپایداری ایجاد کند. انعطافپذیری ساختاری، پروسکایت را به مادهای ایدهآل برای تنظیم خواص نوری و الکتریکی تبدیل کرده است.
پیشینه تحقیق و تکامل پروسکایت در صنعت فتوولتائیک
استفاده از پروسکایت به سال ۱۸۳۹ بازمیگردد، زمانی که گوستاو رز معدنی کلسیم تیتانات را کشف کرد. کاربرد فتوولتائیک آن در ۲۰۰۹ توسط تیم میاساکا با کارایی ۳.۸ درصد آغاز شد. در ۲۰۱۲، پارک و همکاران با استفاده از ساختار مسوسکوپیک، کارایی را به ۹.۷ درصد رساندند و توجه جهانی را جلب کردند. تکامل سریع، از سلولهای مایع حساس تا جامد، پروسکایت را به فناوریای با رشد ۲۵ درصدی سالانه تبدیل کرد. تا ۲۰۱۵، کارایی به ۲۰ درصد رسید و شرکتهایی مانند آکسفورد فتوولتائیک تولید صنعتی را آغاز کردند.
رکوردهای بازده انرژی پروسکایت در دهه اخیر
در دهه اخیر، رکوردهای بازده پنل خورشیدی پروسکایت از ۳.۸ درصد در ۲۰۰۹ به بیش از ۳۳ درصد در تاندمها رسیده است. در ۲۰۱۳، کارایی به ۱۵ درصد رسید و در ۲۰۱۸، به ۲۳.۷ درصد در سلولهای تکجوشه. اکنون، UtmoLight ماژول ۰.۷۲ مترمربعی با ۱۸.۱ درصد بازده اعلام کرد و Trinasolar رکورد ۳۱.۱ درصدی برای تاندمها را شکست. این پیشرفت، پنل خورشیدی پروسکایت را به فناوریای با پتانسیل ۳۰ درصدی تبدیل کرده است.
دانشگاه سیدنی رکورد ۲۷.۰۶ درصدی برای سهجوشه پروسکایتی ثبت کرد و IMDEA Nanoscience به ۲۵.۲ درصد رسید. رکوردها، با تأیید NREL، نشاندهنده رشد ۱۰ درصدی سالانه هستند و پیشبینی میشود تا ۲۰۳۰ به ۴۰ درصد در تاندمها برسد.
انواع معماریهای سلول پروسکایتی (Planar / Mesoscopic)
معماری مسوسکوپیک، با لایه TiO₂ نانوساختار، سطح تماس را افزایش داده و جذب را بهبود میبخشد، که در سلولهای اولیه ۲۰۰۹ استفاده شد و بازده را به ۱۵ درصد رساند. این ساختار، با لایه پروسکایت نفوذکرده در نانوذرات، نوترکیبی را کاهش میدهد، اما چالشهای نفوذ یکنواخت دارد.
معماری پلانار، با لایههای صاف، سادگی ساخت را ارائه میدهد و در ۲۰۱۴ معرفی شد، با بازده تا ۲۵ درصد. این نوع، برای تولید انبوه مناسبتر است، اما حساسیت به نقصهای سطحی دارد. هر دو معماری پنل خورشیدی پروسکایت، بسته به کاربرد استفاده میشوند.
استفاده از پروسکایت در سلولهای تاندم با سیلیکون
سلولهای تاندم پروسکایت-سیلیکون، پروسکایت را به عنوان لایه بالایی برای جذب نور آبی و سبز (با باندگپ ۱.۶-۱.۸ eV) قرار میدهند. سیلیکون لایه پایینی برای نور قرمز و مادون قرمز (باندگپ ۱.۱ eV) است. این ترکیب، طیف کامل خورشیدی را پوشش داده و بازده را به ۳۴.۸۵ درصد در رکورد LONGi Solar رسانده، که محدودیت شوکلی تکماده را دور میزند. لایه میانی تونلینگ تماس اهمی را فراهم کرده و ولتاژ مدار باز را به ۲.۰۱ ولت میرساند، که ۲۰ درصد بالاتر از سیلیکون تنها است.
پایداری با کپسولهسازی افزایش یافته و تجاریسازی توسط شرکتهایی مانند Oxford PV پیش میرود، که ماژولهای ۳۰ درصدی تولید میکنند. این تاندمها، هزینه را ۳۰ درصد کمتر از سیلیکون نگه میدارند و برای مزارع خورشیدی بزرگ ایدهآل هستند.
روشهای صنعتی ساخت لایه فعال پروسکایت
روشهای ساخت لایه فعال پروسکایت شامل پوشش تیغه (blade coating) است، که جوهر پروسکایت را به طور یکنواخت روی بستر پخش میکند و برای رول-تو-رول مناسب است. پوشش شیاری-دی (slot-die coating) دقت بالایی در ضخامت (۲۰۰-۵۰۰ نانومتر) دارد و UtmoLight با آن ماژولهای ۱۸.۱ درصدی تولید کرد. چاپ جوهرافشان برای الگوهای پیچیده استفاده میشود و هزینه را به ۰.۵۷ دلار بر وات کاهش میدهد. روشهای تبخیر همزمان و متوالی (sequential evaporation) بدون حلال هستند و کریستالهای با کیفیت بالا تولید میکنند
مزایا و معایب مکانیکی و شیمیایی پنل خورشیدی پروسکایت
مزایای مکانیکی پروسکایت شامل انعطافپذیری بالا و وزن سبک (کمتر از ۱ کیلوگرم بر مترمربع) است. این ادغام در سطوح منحنی مانند خودروها یا ساختمانها را آسان میکند. از نظر شیمیایی، ضریب جذب نوری عالی (تا ۱۰⁵ cm⁻¹) و تنظیمپذیری باندگپ، بازده را افزایش داده و هزینه مواد خام را ۹۰ درصد کمتر از سیلیکون نگه میدارد.
معایب مکانیکی شامل حساسیت به ضربه و خمیدگی است، که میتواند کریستالها را بشکند. شیمیایی، ناپایداری در برابر رطوبت (هیدرولیز یدید) و اکسیداسیون اکسیژن، عمر را به ۱۰ سال محدود میکند. سمیت سرب نیز نگرانی زیستمحیطی ایجاد میکند، هرچند جایگزینهای قلعدار در حال توسعه هستند.
چالشهای پایداری در برابر حرارت، UV و رطوبت
چالش اصلی پایداری، تجزیه حرارتی بالای ۸۰ درجه سلسیوس است، که ساختار کریستالی را از حالت تتراگونال به ارتورومبیک تغییر داده و کارایی را ۳۰ درصد کاهش میدهد. اشعه UV با ایجاد رادیکالهای آزاد، پیوندهای آلی را میشکند و لایه فعال را تخریب میکند، در حالی که رطوبت (حتی ۳۰ درصد) یدید را حل کرده و سرب سمی (PbI₂) آزاد میکند، که بازده را در ۱۰۰۰ ساعت تست به ۵۰ درصد میرساند.
اکسیژن و رطوبت با هم، اکسیداسیون لایه را تسریع کرده و مهاجرت یونها را در حرارت افزایش میدهند. این عوامل، تجاریسازی را به تأخیر انداخته، اما تستهای IEC 61215 نشان میدهند که بدون حفاظت، عمر به ۵ سال محدود است.
راهکارهای مهندسی برای افزایش طول عمر ماژول
راهکارهای مهندسی برای پایداری شامل کپسولهسازی با لایههای EVA (اتیلن وینیل استات) و شیشه دوجداره است، که نفوذ رطوبت و اکسیژن را ۹۰ درصد کاهش داده و عمر را به ۲۰ سال میرساند. افزودنیهای دوبعدی (۲D پروسکایت مانند PEAI) ساختار را هیدروفوبیک کرده و پایداری حرارتی تا ۱۰۰ درجه را فراهم میکند، در حالی که فیلترهای UV لایههای آلی را محافظت میکنند. مهندسی سطح با پلیمرهای خودترمیمشونده (مانند PEDOT) نقصها را پر کرده و مهاجرت یون را مهار میکند.
ارزیابی اقتصادی تولید انبوه پنل خورشیدی پروسکایت نشان میدهد که هزینه نهایی به ۰.۳۷ دلار بر وات میرسد، که ۵۰ درصد کمتر از سیلیکون (۰.۷ دلار) است و بازگشت سرمایه را در ۳ سال تضمین میکند. تحلیل چرخه عمر (LCA) نشان میدهد که انرژی بازگشت (EPBT) تنها ۶ ماه است و انتشار CO₂ ۸۰ درصد کمتر از سیلیکون. با مقیاسپذیری، پروسکایت میتواند ۲۰ درصد بازار خورشیدی را تا ۲۰۳۰ تصاحب کند.
ادغام پروسکایت در شیشههای هوشمند الکتروکرومیک ساختمانی
ادغام پروسکایت، سلولهای خورشیدی را به عنوان منبع انرژی تغییر رنگ (از شفاف به تیره) استفاده میکند، که شفافیت را خودکار کرده و مصرف انرژی ساختمان را ۳۰ درصد کاهش میدهد. در ۲۰۲۱، دستگاههای ژل-الکتروکرومیک با پروسکایت نیمهشفاف معرفی شد، که ولتاژ مورد نیاز را از نور خورشید تأمین میکند و گرما را مدیریت مینماید. این ادغام، پنجرهها را به عناصر BIPV (ساختمانادغامشده فتوولتائیک) تبدیل کرده و با شیشه الکتروکرومیک کارایی کلی را به ۱۵ درصد میرساند.
پروژههای آزمایشی مانند Tri-Band نشان دادند که شیشههای پروسکایتی میتوانند از آبی روشن به تیره تغییر کنند، UV را فیلتر کرده و برق اضافی تولید نمایند.
سوالات متداول درباره پنل خورشیدی پروسکایت
پنل خورشیدی پروسکایت چیست و چه تفاوتی با پنلهای سیلیکونی دارد؟
پنلهای پروسکایت نسل جدید سلولهای خورشیدی هستند که از ساختار کریستالی پروسکایت به جای سیلیکون استفاده میکنند. این ساختار قابلیت جذب نور بالاتر و تولید در دمای پایین و هزینه کمتر دارد، در حالی که سیلیکون نیازمند فرآیند تولید پرانرژی و گرانقیمت است.
راندمان پنلهای پروسکایتی چقدر است؟
در آزمایشگاه، راندمان پنلهای پروسکایت طی چند سال اخیر از حدود 4% به بالای 25% رسیده است و حتی در برخی ساختارهای هیبریدی رکوردهای بالاتر هم ثبت شده.
آیا پروسکایت از نظر دوام و طول عمر قابل اعتماد است؟
پایداری و مقاومت در برابر رطوبت و حرارت هنوز یکی از چالشهای اصلی پروسکایت است. تیمهای تحقیقاتی جهان در حال توسعه لایههای حفاظتی و ساختارهای هیبریدی هستند تا طول عمر پنلها را به سطح پنلهای سیلیکونی نزدیک کنند.
آیا امکان تولید انبوه پنلهای پروسکایتی وجود دارد؟
بله، یکی از جذابترین ویژگیهای پروسکایت قابلیت تولید با روشهای چاپی، رولبهرول و در دمای پایین است. این یعنی تولید در مقیاس صنعتی با هزینه مواد و انرژی بسیار کمتر نسبت به خطوط تولید سیلیکونی امکانپذیر است.
آیا پنلهای پروسکایتی قابل استفاده روی سطوح منعطف و سبک هستند؟
بله، به دلیل نازکلایه و نرم بودن ساختار مواد، میتوان این پنلها را روی سطوح منعطف، شیشههای هوشمند، نمای ساختمان و حتی لباسهای الکترونیکی ادغام کرد.
بزرگترین چالش فعلی تجاریسازی پنل خورشیدی پروسکایت چیست؟
دو عامل اصلی: (1) پایداری در برابر رطوبت، اکسیژن (2) نگرانی درباره استفاده از سرب در برخی فرمولها. تلاشها برای توسعه فرمولهای بدونسرب و کپسولهسازی ایمن در جریان است.
