نقش روش لایه نشانی در عملکرد سلول های خورشیدی پروسکایتی لایه نازک
سلول های خورشیدی پروسکایت نوعی سلول خورشیدی شامل ترکیبی با ساختار پروسکایت است. این ماده غالبا هیبرید آلی-معدنی هالید سرب یا قلع است. مواد پروسکایت مانند متیل آمونیوم سرب یدید، ارزان بوده و فرایند ساخت آن آسان است. ساختار پروسکایت از ساختارهای سه تایی مواد است و فرمول عمومی آن ABO۳ است. این ساختار از هشت وجهیهایی تشکیل شده است که کاتیونهای A در حفرههای هشتوجهی قرار دارند. سلول های خورشیدی پروسکایتی لایه نازک بازده توان تبدیل بالایی دارند و با روشهای ارزان قیمت قابل ساخت میباشند. در مقایسه با سلول های خورشیدی سیلیکونی که معمولا طی فرایندهای چندمرحلهای و گران ساخته میشوند، سلول های خورشیدی پروسکایتی با روشهای آسان در محیط آزمایشگاهی قابل ساخت هستند.
این سلولها سریعترین فناوری خورشیدی تا به امروز بودهاند. مزیت سلول های خورشیدی پروسکایتی ارزان بودن مواد اولیه و شکاف باند قابل تنظیم آنها با استفاده از تغییر مقدار و نسبت هالید است. ویژگیهای منحصر به فرد پروسکایتها از جمله ضریب جذب بالا موجب شده تا بتوان با فیلمهای (لایه نازک) با ضخامت بسیار کم (در حد ۵۰۰ نانومتر) سلول خورشیدی ساخت. به عبارت دیگر، نور مرئی میتواند توسط یک لایه نازک چند صد نانومتری از پروسکایت، به طور کامل جذب شود. عملکرد قابل توجه فوتوولتائیکی پروسکایتهای هیبریدی به طول عمر بلند حاملهای آنها و تاثیر بالای فوتولومینانس نسبت داده شده است. شرایط رشد پروسکایت و عملیات لایه نشانی، تا حد زیادی مورفولوژی لایه، طول عمر حاملها و عملکرد دستگاه را تغییر میدهد.
بهترین روش برای لایه نشانی ابزارآلات اپتوالکترونی، روشهای لایه نشانی مبتنی بر تبخیر در خلاء است که ضمن نداشتن مضرات محیطی و هزینه کم، لایه نازک با کیفیت بالا تولید میکنند. موبیلیتی بالای حاملهای بار و نرخ پایین بازترکیبی حاملها از نکات مثبت لایه نشانی سلول های خورشیدی با استفاده از روشهای لایه نشانی مبتنی بر تبخیر است.
اولین بار در سال ۲۰۰۹ استفاده از مواد پروسکایت توسط میاساکا و همکارانش گزارش شد. سلول گزارش شده دارای ساختاری مشابه سلول های خورشیدی رنگدانهای ساخته شده بود و تنها ۳/۸% بازده داشت. به علاوه این سلول به دلیل استفاده از الکترولیت خورنده تنها چند دقیقه پایدار بود. موفقیت بزرگ در این زمینه زمانی حاصل شد که هنری اسنیت و مایک لی از دانشگاه آکسفورد دریافتند که پروسکایت در مجاورت یک رسانای حفره حالت جامد مانند اسپایروامتد پایدار است و از سوی دیگر برای ترابرد بار نیازی به لایه مزومتخلخل و Tio۲ ندارد. این گروه برای سلول برپایه Tio۲ به بازده حدود ۱۰ درصد و برای سلول ساخته شده برپایه لایه مزومتخلخل عایق به بازده بیش از ۱۰ درصد دست یافتند. در حال حاضر بیشترین بازده این سلولها ۲۲/۷% است.
اگرچه سلول های خورشیدی اولیه با ساختار n-i-p همچنان به صورت گسترده استفاده میشوند، ساختار معکوس P-i-n توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. سلول های خورشیدی پروسکایت بسته به نوع نقش پروسکایت در سلول و یا ماهیت الکترودهای بالایی و پایینی، در ساختارهای متفاوتی ساخته میشوند. دو دسته این سلولها عبارتند از سلول های خورشیدی “حساس شده” و سلول های خورشیدی “لایه نازک”. در دسته اول، پروسکایت نقش جاذب نور را داشته و بارها توسط ماده دیگری جمعآوری میشوند. در سلول های خورشیدی پروسکایتی “لایه نازک” ترابرد الکترون و حفره، درون پروسکایت انجام میشود. فلزات مختلفی مثل آلومینیم، نقره یا مس تا به حال به عنوان الکترود در این سلول های خورشیدی به کار رفتهاند که تمامی آنها با روش تبخیر حرارتی لایه نشانی شدهاند. دستگاه تبخیر حرارتی مدل DTT، ساخت شرکت پوشش های نانوساختار برای لایه نشانی این دسته از الکترودها به روش تبخیر گزینه مناسبی است.
استفاده از روش تبخیر حرارتی در مقایسه با سایر روش های لایه نشانی مثل اسپاترینگ موجب لایه نشانی الکترودهایی شده است که توان تبدیل سلول خورشیدی را بالاتر برده و در نتیجه آن عملکرد سلول خورشیدی لایه نازک بهبود یافته است. طبق آزمایشات انجام گرفته توسط محققان آلمانی در سال ۲۰۱۸، الکترودهای آلومینیومی لایه نشانی شده توسط روش تبخیر حرارتی ویژگی بهتری نسبت به الکترودهای آلومینیومی لایه نشانی شده توسط روش اسپاترینگ و پرتوی الکترونی (e-beam) از خود نشان داده اند. به علت آسیب غیرقابل اجتناب سطح مشترک الکترود با لایه انتقال الکترونیکی ارگانیک (ETL) که ناشی از لایه نشانی مستقیم الکترود با روشهای اسپاترینگ یا پرتوی الکترونی روی لایههای ارگانیک (BCP/PCBM) است، نمودار ولتاژ–جریان سلولهای پروسکایتی، شکل S به خود می گیرد. البته یک مرحله کوتاه گرمایش در بازه دمایی ۳۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد میتواند این آسیب ایجاد شده در نمودار مشخصه ولتاژ–جریان این سلولهای خورشیدی را رفع کند. آسیب وارد شده منجر به بینظمی ملکولهای سطحی شده، که از خروج الکترونها جلوگیری کرده و سبب تجمع بار در سطح میشود.
عدم تعادل حاملها در دو سمت اتصال موجب ایجاد شکل S مانند در نمودار ولتاژ-جریان میشود. در مورد لایه نشانی الکترود با پرتوی الکترونی (e-beam)، یک پرتوی الکترونی توسط میدان مغناطیسی روی ماده مورد نظر (Al) متمرکز شده و از طریق انتقال انرژی الکترونها آن را از حالت جامد به حالت گازی تبدیل میکند. آسیب ایجاد شده در سطح مشترک الکترود و لایه انتقال الکترونیکی ارگانیک، به علت انحراف و یا بازتاب الکترونهای پر انرژی از پرتوی الکترونی است. در مورد لایه نشانی به روش اسپاترینگ، اتمهای آلومینیوم از تارگت خارج میشوند. فرایند اسپاترینگ به این صورت است که با تشکیل پلاسمای آرگون بین تارگت و نمونه، یونهای مثبت آرگون به سمت تارگت شتاب میگیرند و با انرژی کافی جهت جدا کردن اتمهای آلومینیوم، به تارگت آلومینیومی برخورد میکنند.
انرژی منتقل شده به ذرات فلز در فرایند اسپاترینگ بسیار بیشتر از انرژی منتقل شده به آنها در فرایند تبخیر حرارتی یا لایه نشانی با استفاده از پرتوی الکترونی است، که منجر به لایه نشانی الکترودهای چگالتری نسبت به دو روش دیگر میشود. اثر آسیبی این روش، ناشی از برخورد ذرات مربوط به پلاسما (شامل ذرات آرگون خنثی، الکترونهای پر انرژی و یونهای باردار) به لایه انتقال الکترونیکی ارگانیک (ETL) است. این آسیب، بدتر از آنی است که بتوان با فرایند گرمایش (آنیلینگ) آن را برطرف کرد. در صورتی که از فرایند اسپاترینگ با انرژی بالا جهت لایه نشانی الکترودهای چگالتر استفاده شود، شکل S مانند حتی بعد از چند مرحله گرمادهی، باز هم در نمودار ولتاژ-جریان مشاهده خواهد شد.
طبق نتایج محققان، سلول های خورشیدی دارای الکترودهای آلومینومی لایه نشانی شده با هر سه روش اسپاترینگ، پرتوی الکترونی و تبخیر حرارتی، دارای بازده بیش از ۱۱ درصد بوده اند اما پارامترهای این سلولهای خورشیدی متفاوت یوده است. در مجموع بهترین نتایج مربوط به سلول خورشیدی است که الکترود آن با استفاده از روش تبخیر حرارتی لایه نشانی شده است. در صورت تمایل به مطالعه بیشتر به مقالات زیر مراجعه نمایید:
https://pvd.ir/fa/wp-content/uploads/sites/4/noguchi1994.pdf
https://pvd.ir/fa/wp-content/uploads/sites/4/wahl2018_compressed.pdf