پنل‌های پروسکایت: انقلابی در دنیای انرژی خورشیدی – تاریخچه و معرفی

دنیای انرژی‌های تجدیدپذیر همواره در جستجوی فناوری‌هایی است که بتوانند با هزینه‌ای کمتر، بازدهی بالاتری را ارائه دهند. در این میان، پنل‌های خورشیدی پروسکایت (Perovskite Solar Panels) به عنوان یک پدیده نوظهور و بسیار امیدوارکننده، توجه دانشمندان و صنعتگران را به خود جلب کرده‌اند. این پنل‌ها با پتانسیل ایجاد تحولی عظیم در نحوه بهره‌برداری ما از انرژی خورشیدی، به سرعت در حال توسعه هستند. در این مقاله، به بررسی تاریخچه، معرفی کامل، ساختار، نحوه عملکرد، مزایا، چالش‌ها و آینده این فناوری نوین خواهیم پرداخت.

پروسکایت چیست؟ نگاهی به ساختار کریستالی منحصر به فرد

پیش از پرداختن به پنل‌های خورشیدی، لازم است با ماده اصلی آن‌ها یعنی “پروسکایت” آشنا شویم. پروسکایت نام یک کانی طبیعی (اکسید تیتانات کلسیم – CaTiO3​) است که اولین بار در سال ۱۸۳۷ توسط گوستاو رز کشف و به افتخار کانی‌شناس روس، لِو پِروسکی، نام‌گذاری شد. امروزه، واژه “پروسکایت” به دسته‌ای از مواد اطلاق می‌شود که دارای ساختار کریستالی مشابه با این کانی هستند. فرمول عمومی این ساختار ABX3​ است، که در آن A و B کاتیون‌هایی با اندازه‌های متفاوت و X یک آنیون (معمولاً اکسیژن یا یک یون هالید مانند یدید، برمید یا کلرید) می‌باشد.

در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، معمولاً از پروسکایت‌های هیبریدی آلی-معدنی هالید سرب یا قلع استفاده می‌شود. یکی از رایج‌ترین ترکیبات مورد استفاده، متیل‌آمونیوم سرب یدید (CH3​NH3​PbI3​) است. ویژگی منحصر به فرد این ساختار کریستالی، قابلیت فوق‌العاده آن در جذب نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی است.

تاریخچه پروسکایت در سلول‌های خورشیدی: از آزمایشگاه تا آستانه تجاری‌سازی

استفاده از مواد پروسکایت در سلول‌های خورشیدی برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ توسط گروهی از محققان ژاپنی به سرپرستی تسوتومو میاساکا گزارش شد. در آن زمان، بازده تبدیل انرژی این سلول‌ها بسیار پایین (حدود ۳.۸ درصد) و پایداری آن‌ها نیز به دلیل استفاده از الکترولیت مایع خورنده، بسیار کم و در حد چند دقیقه بود.

با این حال، پتانسیل بالای این مواد به سرعت توسط جامعه علمی شناسایی شد. از سال ۲۰۱۲ به بعد، با جایگزینی الکترولیت مایع با لایه‌های انتقال بار جامد و بهینه‌سازی ترکیبات و ساختار سلول، پیشرفت‌های چشمگیری در افزایش بازده و پایداری سلول‌های خورشیدی پروسکایت حاصل شد. بازده این سلول‌ها در شرایط آزمایشگاهی با سرعتی خیره‌کننده افزایش یافته و در حال حاضر از مرز ۲۵ درصد نیز عبور کرده است. همچنین، سلول‌های خورشیدی تاندم (پشت سر هم) پروسکایت-سیلیکون، که از ترکیب نقاط قوت هر دو فناوری بهره می‌برند، به بازدهی بیش از ۳۰ درصد دست یافته‌اند. این رشد سریع بازده، پروسکایت‌ها را به سریع‌ترین فناوری در حال توسعه در تاریخ انرژی خورشیدی تبدیل کرده است.

معرفی پنل‌های خورشیدی پروسکایت و نحوه عملکرد آن‌ها

پنل خورشیدی پروسکایت، همانند سایر پنل‌های خورشیدی، از چندین سلول خورشیدی متصل به هم تشکیل شده است. هر سلول خورشیدی پروسکایت معمولاً ساختاری چند لایه دارد که لایه اصلی آن ماده پروسکایت به عنوان جاذب نور عمل می‌کند.

ساختار یک سلول خورشیدی پروسکایت معمولاً شامل لایه‌های زیر است:

1. زیرلایه (Substrate): معمولاً از جنس شیشه یا پلاستیک‌های انعطاف‌پذیر که می‌تواند با یک اکسید رسانای شفاف (مانند ITO یا FTO) پوشانده شده باشد تا به عنوان الکترود اول عمل کند.
2. لایه انتقال الکترون (Electron Transport Layer – ETL): لایه‌ای از یک ماده نیمه‌هادی نوع n (مانند دی‌اکسید تیتانیوم – TiO2​ یا اکسید قلع – SnO2​) که وظیفه جمع‌آوری و انتقال الکترون‌های تولید شده در لایه پروسکایت به سمت الکترود را بر عهده دارد.
3. لایه جاذب پروسکایت (Perovskite Absorber Layer): قلب سلول خورشیدی که نور خورشید را جذب کرده و جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کند. ضخامت این لایه معمولاً بسیار کم و در حد چند صد نانومتر است (لایه نازک).
4. لایه انتقال حفره (Hole Transport Layer – HTL): لایه‌ای از یک ماده نیمه‌هادی نوع p یا یک پلیمر رسانا (مانند Spiro-OMeTAD) که حفره‌های تولید شده را به سمت الکترود دیگر هدایت می‌کند.
5. الکترود پشتی (Back Electrode): معمولاً از فلزاتی مانند طلا، نقره یا کربن ساخته می‌شود و مدار الکتریکی را کامل می‌کند.

نحوه عملکرد:

1. جذب فوتون: نور خورشید (فوتون‌ها) به لایه پروسکایت برخورد کرده و توسط آن جذب می‌شود.
2. تولید جفت الکترون-حفره: انرژی فوتون‌های جذب شده باعث برانگیخته شدن الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار هدایت در ماده پروسکایت می‌شود و در نتیجه، جفت‌های الکترون (بار منفی) و حفره (بار مثبت مجازی) ایجاد می‌گردند.
3. جداسازی و انتقال بار: الکترون‌های آزاد شده به سمت لایه انتقال الکترون (ETL) و حفره‌ها به سمت لایه انتقال حفره (HTL) حرکت می‌کنند. این جداسازی و حرکت جهت‌دار بارها به دلیل وجود میدان الکتریکی داخلی در سلول و همچنین خواص الکترونیکی لایه‌های انتقال بار صورت می‌گیرد.
4. جمع‌آوری بار و ایجاد جریان: الکترون‌ها از طریق ETL به الکترود شفاف جلویی و حفره‌ها از طریق HTL به الکترود پشتی می‌رسند. این حرکت منظم بارها، جریان الکتریکی مستقیم (DC) را در مدار خارجی ایجاد می‌کند. این جریان DC سپس می‌تواند توسط یک اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل شده و مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از ویژگی‌های مهم پروسکایت‌ها، قابلیت تنظیم گاف انرژی (Band Gap) آن‌ها با تغییر ترکیب شیمیایی (مثلاً تغییر نوع هالیدها) است. این ویژگی امکان بهینه‌سازی جذب طیف نور خورشید را فراهم می‌کند.

مزایای پنل‌های خورشیدی پروسکایت

پنل‌های خورشیدی پروسکایت دارای مزایای بالقوه فراوانی هستند که آن‌ها را به یک گزینه جذاب برای آینده انرژی خورشیدی تبدیل کرده است:

• بازده بالا: همانطور که اشاره شد، بازده سلول‌های پروسکایت در مدت زمان کوتاهی به سطوح قابل رقابت با سلول‌های سیلیکونی سنتی رسیده و حتی در ساختارهای تاندم از آن‌ها پیشی گرفته است.
• هزینه تولید پایین: مواد اولیه مورد استفاده در ساخت پروسکایت‌ها نسبتاً ارزان و فراوان هستند. علاوه بر این، فرآیندهای ساخت آن‌ها می‌تواند در دماهای پایین‌تر و با استفاده از روش‌های ساده‌تری مانند چاپ (اسپری، چاپ جوهرافشان، پوشش‌دهی شکافی یا Slot-Die Coating) و فرآیندهای محلولی انجام شود که به طور قابل توجهی هزینه‌های تولید انبوه را کاهش می‌دهد.
• سبک و انعطاف‌پذیر: پروسکایت‌ها می‌توانند به صورت لایه‌های بسیار نازک ساخته شوند. این ویژگی، همراه با امکان استفاده از زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر پلاستیکی، منجر به تولید پنل‌های خورشیدی سبک، نازک و انعطاف‌پذیر می‌شود که کاربردهای جدیدی را برای انرژی خورشیدی، مانند استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی، سطوح منحنی و ساختمان‌های با محدودیت وزنی، امکان‌پذیر می‌سازد.
• عملکرد خوب در شرایط نوری مختلف: برخی تحقیقات نشان داده‌اند که سلول‌های پروسکایت می‌توانند در شرایط نور کم (مانند هوای ابری یا محیط‌های داخلی) و همچنین در دماهای بالاتر عملکرد نسبتاً خوبی داشته باشند.
• جذب نور قوی: مواد پروسکایت ضریب جذب نور بسیار بالایی دارند، به این معنی که یک لایه بسیار نازک از آن‌ها می‌تواند بخش قابل توجهی از نور خورشید را جذب کند.
• زمان بازگشت انرژی کوتاه‌تر: به دلیل مصرف انرژی کمتر در فرآیند تولید نسبت به پنل‌های سیلیکونی، انتظار می‌رود زمان بازگشت انرژی (مدت زمانی که طول می‌کشد تا پنل همان مقدار انرژی مصرف شده برای ساخت خود را تولید کند) برای پنل‌های پروسکایت کوتاه‌تر باشد.

چالش‌ها و معایب پیش روی پنل‌های پروسکایت

با وجود تمامی مزایا و پتانسیل‌های امیدوارکننده، فناوری پنل‌های خورشیدی پروسکایت هنوز با چالش‌های مهمی برای تجاری‌سازی گسترده روبرو است:

• پایداری و دوام طولانی‌مدت: این بزرگترین مانع بر سر راه تجاری‌سازی پروسکایت‌ها است. مواد پروسکایت، به‌ویژه انواع هیبریدی آلی-معدنی، به رطوبت، اکسیژن، حرارت و تابش فرابنفش (UV) حساس هستند. این عوامل می‌توانند منجر به تخریب ساختار کریستالی و کاهش سریع عملکرد و طول عمر سلول شوند. تحقیقات گسترده‌ای برای بهبود پایداری از طریق کپسوله‌سازی بهتر، مهندسی ترکیبات و استفاده از لایه‌های محافظ در حال انجام است.
• سمیت سرب: بسیاری از کارآمدترین سلول‌های خورشیدی پروسکایت حاوی سرب هستند که یک ماده سمی و نگران‌کننده برای محیط زیست و سلامت انسان است. نشت احتمالی سرب از پنل‌های آسیب‌دیده یا در پایان عمر آن‌ها، یک چالش جدی محسوب می‌شود. تلاش‌های زیادی برای توسعه پروسکایت‌های بدون سرب (مانند پروسکایت‌های مبتنی بر قلع یا بیسموت) در جریان است، اما این جایگزین‌ها معمولاً بازده و پایداری کمتری نسبت به همتایان سربی خود دارند.
• مقیاس‌پذیری و تولید انبوه: انتقال فناوری از مقیاس آزمایشگاهی به تولید صنعتی انبوه با حفظ کیفیت و یکنواختی محصول، چالش‌برانگیز است. توسعه روش‌های تولید مقرون‌به‌صرفه، قابل اعتماد و با توان بالا برای لایه‌های پروسکایت با کیفیت در ابعاد بزرگ ضروری است.
• استانداردسازی و آزمون‌های طول عمر: به دلیل نوظهور بودن این فناوری، هنوز پروتکل‌های استاندارد جامع برای آزمون پایداری و عملکرد طولانی‌مدت پنل‌های پروسکایت در شرایط واقعی به‌طور کامل تدوین نشده است.
• ضایعات و بازیافت: با توجه به حضور مواد مختلف از جمله سرب (در برخی انواع) و ترکیبات آلی، توسعه فرآیندهای بازیافت کارآمد و سازگار با محیط زیست برای پنل‌های پروسکایت در پایان عمرشان اهمیت دارد.

روش‌های ساخت پنل‌های پروسکایت

یکی از جذابیت‌های اصلی سلول‌های خورشیدی پروسکایت، امکان ساخت آن‌ها با استفاده از روش‌های فرآوری محلولی در دماهای نسبتاً پایین است. این روش‌ها در مقایسه با فرآیندهای پرانرژی و پیچیده ساخت سلول‌های سیلیکونی، ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر هستند. برخی از روش‌های رایج عبارتند از:

• پوشش‌دهی دورانی (Spin Coating): بیشتر در تحقیقات آزمایشگاهی برای ایجاد لایه‌های نازک و یکنواخت استفاده می‌شود.
• پوشش‌دهی تیغه‌ای (Blade Coating یا Doctor Blading): روشی مناسب برای پوشش‌دهی سطوح بزرگ‌تر.
• چاپ جوهرافشان (Inkjet Printing): امکان تولید دقیق و الگودار لایه‌ها با مصرف بهینه مواد.
• پوشش‌دهی پاششی (Spray Coating): روشی سریع و قابل استفاده برای سطوح بزرگ و پیچیده.
• پوشش‌دهی شکافی (Slot-Die Coating): یکی از روش‌های بسیار امیدوارکننده برای تولید پیوسته و در مقیاس صنعتی (رول-به-رول).
• تبخیر حرارتی (Thermal Evaporation): برای لایه‌نشانی برخی از اجزای سلول مانند الکترودها یا حتی لایه پروسکایت در برخی موارد خاص استفاده می‌شود.

انتخاب روش ساخت به عواملی مانند نوع مواد، ساختار سلول، هزینه و مقیاس تولید بستگی دارد.

کاربردهای بالقوه پنل‌های خورشیدی پروسکایت

با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد پروسکایت‌ها، کاربردهای متنوعی برای آن‌ها پیش‌بینی می‌شود:

• جایگزین یا مکمل پنل‌های سیلیکونی: پنل‌های پروسکایت می‌توانند به عنوان یک جایگزین کم‌هزینه‌تر و با بازده بالا برای پنل‌های سیلیکونی سنتی مطرح شوند.
• سلول‌های خورشیدی تاندم (Tandem Solar Cells): ترکیب یک سلول پروسکایت با یک سلول سیلیکونی (پروسکایت-روی-سیلیکون) می‌تواند بازده را به طور قابل توجهی افزایش دهد، زیرا هر لایه طیف متفاوتی از نور خورشید را جذب می‌کند. این یکی از محتمل‌ترین مسیرها برای ورود اولیه پروسکایت به بازار است.
• فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان (BIPV): به دلیل سبکی، انعطاف‌پذیری و قابلیت ساخت به صورت نیمه‌شفاف، پنل‌های پروسکایت برای استفاده در پنجره‌ها، نماها، سقف‌ها و سایر اجزای ساختمان بسیار مناسب هستند.
• الکترونیک انعطاف‌پذیر و پوشیدنی: امکان ساخت پنل‌های پروسکایت بر روی زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر، راه را برای تأمین انرژی گجت‌های پوشیدنی، حسگرها و نمایشگرهای انعطاف‌پذیر هموار می‌کند.
• کاربردهای فضایی و قابل حمل: سبکی و بازده بالا می‌تواند آن‌ها را برای استفاده در ماهواره‌ها، فضاپیماها و تجهیزات قابل حمل نظامی یا تفریحی جذاب کند.
• گلخانه‌ها و کشاورزی: پنل‌های نیمه‌شفاف پروسکایت می‌توانند ضمن تولید برق، نور مورد نیاز گیاهان را نیز عبور دهند.

آینده پنل‌های خورشیدی پروسکایت

آینده پنل‌های خورشیدی پروسکایت بسیار روشن اما همچنان با چالش‌هایی همراه است. تمرکز اصلی تحقیقات در حال حاضر بر روی حل مشکل پایداری طولانی‌مدت، توسعه جایگزین‌های بدون سرب با بازده بالا و کاهش بیشتر هزینه‌های تولید انبوه است.

بسیاری از شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی در سراسر جهان سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی در این زمینه انجام داده‌اند و انتظار می‌رود اولین محصولات تجاری مبتنی بر پروسکایت، به‌ویژه سلول‌های تاندم پروسکایت-سیلیکون، در آینده نزدیک وارد بازار شوند. اگر چالش‌های فعلی با موفقیت برطرف شوند، پنل‌های پروسکایت می‌توانند نقش بسیار مهمی در گذار جهانی به سمت انرژی‌های پاک و پایدار ایفا کنند و چشم‌انداز تولید انرژی خورشیدی را به طور کامل دگرگون سازند.

نتیجه‌گیری

پنل‌های خورشیدی پروسکایت با ترکیبی از بازده بالا، هزینه تولید بالقوه پایین، سبکی و انعطاف‌پذیری، به عنوان یکی از هیجان‌انگیزترین و امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها در حوزه انرژی خورشیدی مطرح شده‌اند. اگرچه چالش‌هایی نظیر پایداری و استفاده از سرب هنوز به طور کامل مرتفع نشده‌اند، اما سرعت پیشرفت در این زمینه خیره‌کننده است. با ادامه تحقیقات و نوآوری‌ها، انتظار می‌رود این نسل نوین از پنل‌های خورشیدی در آینده‌ای نه چندان دور، سهم قابل توجهی از بازار انرژی‌های تجدیدپذیر را به خود اختصاص داده و به تحقق آینده‌ای روشن‌تر و پایدارتر کمک کنند.