آموزش انواع سلول های خورشیدی پروسکایت در سیلواکو

• سلول خورشیدی حساس شده متخلخل

نخستین سلول خورشیدی پروسکایت ساختاری از سلول های رنگدانه ایی متخلخل داشت. این ساختار که مبتنی بر الکترولیت مایع بود، از نانو بلورهای پروسکایت به جای رنگدانه که به عنوان جاذب نور به کار برده می شدند استفاده نمود، مطابق شکل زیر .

بازدهی برای سلول پروسکایت CH₃NH₃PbI₃ برابر 3.8 درصد و برای CH₃NH₃PbBr₃ برابر 3.1 درصد بود. سپس محققین با بهبود روش لایه نشانی نانو کریستال پروسکایت در ساختار متخلخل TiO₂ بازدهی دستگاه را به بالاتر از 6.5 درصد رساندند. با توجه به سرعت بالای تجزیه پروسکایت در الکترولیت مایع، در مدت زمان چند دقیقه کارایی سلول خورشیدی به شدت کاهش پیدا می کند.

برای پایداری سلول خورشیدی باید الکترولیت را با ماده حالت جامد انتقال دهنده حفره جایگزین نماید. بنابراین سلول خورشیدی پروسکایت شکل حالت جامد به خود گرفته و اولین سلول خورشیدی پروسکایت حالت جامد از Spiro-OMeTAD به عنوان ماده انتقال دهنده حفره  و نیز لایه نانو متخلخل TiO₂ به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون و CH₃NH₃PbI₃ به عنوان جاذب نور به کار برده می شود.

در این سلول مقدار بازدهی 9.7 درصد گزارش گردید که یک پیشرفت غیر منتظره در ساخت سلول خورشیدی حساس شده حالت جامد بود. در بررسی های بعدی محققان با جایگزین کردن Spiro-MeOTAD که همان انتقال دهنده حفره می باشد با موادی مانند PTAA که نوعی انتقال دهنده حفره می باشد به بازدهی بالاتر از 12 درصد دست یافتند.

با تغییر روش های لایه نشانی پروسکایت بازدهی سلول خورشیدی افزایش یافت. با استفاده از این روش PbI₂ در ابتدا بر روی لایه متخلخل TiO₂ لایه نشانی گردید و آنگاه با غوطه وری زیر لایه در محلول حاوی CH₃NH₃I ، پروسکایت تشکیل گردید. پروسکایت تشکیل گردید. در این حالت پروسکایت به طور کامل در منافذ لایه متخلخل TiO₂ نفوذ می نماید. سلول های ساخته شده با این روش راندمان 15 درصد به همراه تکرار پذیری بالا دارند.

الکترون هاب تولید شده ر اثر تابش نور، به نانو ذرات TiO₂ انتقال یافته و سپس به لایه بلاک TiO₂ پخش می گردند و در نهایت وارد زیر لایه شفاف رسانا می شوند. از آنجایی که رسانایی پروسکایت در مقایسه با TiO₂ بیشتر می شود، بخش مهمی از الکترون بوسیله خود لایه پروسکایت منتقل می گردد. تحرک الکترون در پروسکایت تقریبا 25 cm²V^-1 S^-1 می باشد که 4 برابر تحرک الکترون در TiO₂ خواهد بود. بنابراین این سلول خورشیدی را می توان ترکیبی از سلول حساس شده و p-i-n تصور نمود.

• سلول خورشیدی متخلخل p-n بدون HTM

از دیگر ویژگی های پروسکایت خاصیت دو قطبی آن می باشد و کمی بیشتر خاصیت نیم رسانای نوع p را دارا می باشد بنابراین می توان بدون استفاده از HTM سلول خورشیدی را تشکیل داد. این نوع سلول خورشیدی پروسکایت بدون HTM نامیده می شود.

بنابراین پروسکایت می تواند هم به صورت جاذب نور عمل کند و هم به عنوان ماده انتقال دهنده حفره. بازدهی به دست آمده از این ساختار 5.5 درصد می باشد. با بهبود لایه نشانی پروسکایت، بازدهی این سلول ها بالاتر از 8 درصد می رسد. سپس با بهینه سازی این ساختار پژوهشگران به بازدهی 10.4 درصد نیز رسیدند. این دسته از سلول ها نسبت به سلول های دارای ماده انتقال دهنده حفره دارای فاکتور گنجایش و ولتاژ مدار باز پایین تر و جریان نشتی بیشتر می باشند. از آنجایی که در این نوع سلول ماده گران قیمت انتقال دهنده حفره حذف می شود، هزینه این نوع سلول در مقایسه با دیگر انواع سلول های پروسکایتی کمتر می باشد.

• سلول خورشیدی متخلخل p-i-n

ساخت سلول پروسکایت با جایگزینی لایه متخلخل TiO₂ با لایه متخلخل Al₂O₃ در اوایل یک پیشرفت بزرگ بود. زیرا Al₂O₃ یک ماده ی عایق بود. این سلول با ساختار bL-TiO₂/Al₂O₃/CH₃NH₃PbI₃(CH₃NH₃PbBr₃)/Spiro-OMeTAD دارای بازدهی 10.9 درصد بود. از آنجایی که الکترون ایجاد شده بر اثر تابش نور قابلیت انتقال به Al₂O₃ را ندارد بنابراین فرض بر آن است که الکترون بوسیله خود پروسکایت به لایه FTO/BL-TiO₂ انتقال می یابد.

لایه Spiro-OMeTAD سبب خارج کردن حفره و انتقال آن به کاتد می گردد. پروسکایت می تواند هم به عنوان جاذب نور و هم به عنوان انتقال دهنده الکترون عمل نماید. سلول خورشیدی با این ساختار را مزو-ابر ساختار نیز نامیده اند. این ساختار به طور قابل توجهی V_oc برابر با 200 میلی ولت بیشتر از V_OC سلول های که مبتنی بر لایه متخلخل TiO₂ دارند می باشند. این امر نشان می دهد که، میزان اتلاف انرژی در این سلول کمتر است.

نتایج این سلول خورشیدی حاکی از آن است که می توان از پروسکایت در سلول های خورشیدی مسطح نازک استفاده نمود. محققین با موفقیت سلول خورشیدی مسطح را با لایه های CH₃NH₃PbI_3-xCL_x را به عنوان لایه جاذب نور و لایه بلاک TiO₂ را به عنوان لایه ETM و نیز لایه Spiro-OMeTAD به عنوان لایه HTM ساختند. سطح لایه پروسکایت ایجاد شده کاملا یکنواخت و بدون انقطاع بود که خود علت اصلی دست یافتن به بازدهی 15 درصد می باشد. بنابراین این نتایج نشان می دهند که می توان بدون استفاده از لایه متخلخل و در یک پیکر بندی ساده ، سلول خورشیدی پروسکایت را با کارایی خوب تشکیل داد.

بر پایه سلول p-i-n محققین موفق به تشکیل یک سلول خورشیدی مسطح دما پایین با لایه ZnO به عنوان ETM و CH₃NH₃PbI₃ به عنوان لایه جاذب نور  و در نهایت دست یابی به بازدهی 15.7 درصد شدند، همچنین سلول خورشیدی پروسکایت انعطاف پذیر با همین ساختار با بازدهی 10.2 درصد نیز گزارش شده است.

جهت یادگیری کامل نرم افزار سیلواکو آموزش های رایگان ما را در سایت حامی پروژه دنبال نمایید. و در صورت مشکل در انجام پروژه های سیلواکو خود با متخصصین حامی پروژه در تماس باشید. برای ارتباط با تیم تخصصی سیلواکو حامی پروژه با شماره 09934702599 تماس حاصل نمایید.