perovskite
perovskite

سلول های خورشیدی پروسکایتی 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 وجهی هایی تشکیل شده است که کاتیون های A در حفره های هشت وجهی قرار دارند. سلول های خورشیدی پروسکایتی لایه نازک بازده توان تبدیل بالایی دارند و با روش های ارزان قیمت قابل ساخت می باشند. در مقایسه با سلول های خورشیدی سیلیکونی که معمولا طی فرایندهای چند مرحله ای و گران ساخته می شوند، سلول های خورشیدی پروسکایتی با روش های آسان در محیط آزمایشگاهی قابل ساخت هستند. این سلول ها سریعترین فناوری خورشیدی تا به امروز بوده اند. مزیت سلول های خورشیدی پروسکایتی ارزان بودن مواد اولیه و شکاف باند قابل تنظیم آن ها با استفاده از تغییر مقدار و نسبت هالید است. ویژگی های منحصر به فرد پروسکایت ها از جمله ضریب جذب بالا موجب شده تا بتوان با فیلم های (لایه نازک) با ضخامت بسیار کم (در حد ۵۰۰ نانومتر) سلول خورشیدی ساخت. به عبارت دیگر نور مرئی می تواند توسط یک لایه نازک چند صد نانومتری از پروسکایت، به طور کامل جذب شود. عملکرد قابل توجه فوتوولتائیکی پروسکایت های 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 حامل ها  و عملکرد دستگاه را تغییر می دهد. بهترین روش برای لایه نشانی ابزارآلات اپتو الکترونی، روش های لایه نشانی مبتنی بر تبخیردر خلآ است که ضمن نداشتن مضرات محیطی و هزینه کم، لایه نازک با کیفیت بالا تولید می کنند. موبیلیتی بالای حامل های بار و نرخ پایین بازترکیبی حامل ها از نکات مثبت لایه نشانی سلول های خورشیدی با استفاده از روش های لایه نشانی مبتنی بر تبخیر است{۱}. 

اولین بار در سال ۲۰۰۹ استفاده از مواد پروسکایت توسط میاساکا و همکارانش گزارش شد. سلول گزارش شده دارای ساختاری مشابه سلول های خورشیدی رنگدانه ای ساخته شده بود و تنها ۸/۳ درصد 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 برپایۀ  Tio۲ به بازده حدود ۱۰ درصد و برای سلول ساخته شده برپایۀ‌ لایۀ مزومتخلخل عایق به بازده بیش از ۱۰ درصد دست یافتند. در حال حاضر بیشترین بازده این سلول ها ۷/۲۲ درصد است. 

اگرچه سلولهای خورشیدی اولیه با ساختار n-i-p همچنان به صورت گسترده استفاده می شوند، ساختار معکوس P-i-n توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. سلولهای خورشیدی پروسکایت بسته به نوع نقش پروسکایت در سلول و یا ماهیت الکترودهای بالایی و پایینی، در ساختارهای متفاوتی ساخته می شوند. دو دسته این سلول ها 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 جمع آوری می شوند. در سلول های خورشیدی پروسکایتی “لایه نازک” ترابرد الکترون و حفره درون پروسکایت انجام می شود. فلزات مختلفی مثل آلومینیم، نقره یا مس تا به حال به عنوان الکترود در این سلول های خورشیدی به کار رفته اند که تمامی آن ها با روش تبخیر حرارتی لایه نشانی شده اند. 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 {۲} در سال ۲۰۱۸، الکترود های 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 است. به علت آسیب غیر قابل اجتناب سطح مشترک الکترود با لایه انتقال الکترونیکی ارگانیک (ETL) که ناشی از لایه نشانی مستقیم الکترود با روش های اسپاترینگ یا پرتوی الکترونی روی لایه های ارگانیک (BCP/PCBM) است، نمودار ولتاژ – جریان سلولهای پروسکایتی شکل S به خود می گیرند. البته یک مرحله کوتاه گرمایش در بازه دمایی ۳۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد می تواند این آسیب ایجاد شده در نمودار مشخصه ولتاژ – جریان سلول خورشیدی که  در اثر لایه نشانی الکترودها با روش اسپاترینگ و پرتوی الکترونی را رفع کند. آسیب وارد شده منجر به بی نظمی ملکول های سطحی شده که از خروج الکترون ها جلوگیری کرده و سبب تجمع بار در سطح می شود. عدم تعادل حامل ها در دو سمت اتصال موجب ایجاد شکل S مانند در نمودار ولتاژ- جریان می شود. 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 الکترون ها آن را از حالت جامد  به حالت گازی تبدیل می کند.  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، اتم های آلومینیوم از تارگت خارج می شوند. فرایند اسپاترینگ به این صورت است که با تشکیل پلاسمای آرگون بین تارگت و نمونه، یون های مثبت آرگون به سمت تارگت شتاب می گیرند و با انرژی کافی جهت جدا کردن اتم های آلومینیوم، به تارگت آلومینیومی برخورد می کنند. انرژی منتقل شده به ذرات فلز در فرایند اسپاترینگ بسیار بیشتر از انرژی منتقل شده به آن ها در فرایند تبخیر حرارتی یا لایه نشانی با استفاده از پرتوی الکترونی است که منجر به لایه نشانی الکترودهای چگال تری نسبت به دو روش دیگر می شود. اثر آسیبی این روش ناشی از برخورد ذرات مربوط به پلاسما (شامل ذرات آرگون خنثی، الکترون های پر انرژی و یون های 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 چگال تر 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:

دستگاه تبخیر حرارتی مدل DTT – مناسب برای کاربرد جهت ساخت سلولهای خورشیدی

noguchi1994

wahl2018_compressed