پروسکایت چیست؟

پروسکایت از قرن ۱۹ شناخته و به‌شدت باتوجه‌به خواص و کاربردهای مغناطیسی و نوری/الکترونیکی در اواخر قرن بیستم دنبال‌گیری شد. پروسکایت‌هایی با فرمول عمومی ABX3 را می‌توان به‌عنوان کانی مشتق شده از ساختار ReO3 در نظر گرفت. Perovskite یک ماده معدنی طبیعی متشکل از اکسیدهای کلسیم و تیتانیوم است. همچنین برای توصیف یک سری مواد با ساختار کریستالی یکسان استفاده می‌شود. این مواد خواص الکتریکی و نوری خاصی دارند.

مقدمه ای بر پروسکایت

پروسکایت را یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد قرن بیست و یکم در نظرمی گیرند. چارچوب BX3 در Perovskite مشابه ساختار ReO3 است که از هشت‌ضلعی BX6 به اشتراک گذاشته می‌شود. در چند دهه گذشته، Perovskite به دلیل خواص فوتوالکتریک و کاتالیزوری برتر، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرد و پیشرفت زیادی در ذخیره‌سازی انرژی، تخریب آلاینده‌ها و همچنین دستگاه‌های اپتوالکترونیکی داشته است. تمام مواد با ساختار ABX3 در مجموع به‌عنوان مواد Perovskite شناخته می‌شوند. همچنین می‌توان آنها را به‌سادگی به Perovskite معدنی و Perovskite هیبرید آلی – معدنی تقسیم کرد.

تاریخچه و کشف پروسکایت

کشف کریستال‌های پروسکایت در کوه‌های اورال در قرن نوزدهم با کشف پروسکیتهای متال هالید حدود ۵۰ سال بعد انجام شد. بیش از یک قرن گذشت تا ویژگی‌های الکترونیکی و تابش نور قابل‌توجه این ماده محقق شود. اخیراً پروسکایت‌ها تحقیقات زیادی را در زمینه تحقیقات سلول‌های خورشیدی برانگیخته‌اند. آنها پتانسیل زیادی را به‌عنوان مواد کارآمد و مقرون‌به‌صرفه با پیامدهایی برای نقش کلیدی در مبارزه با تغییرات آب‌وهوایی نشان می‌دهند. چیزی که مشخص نیست این است که دقیقاً چه کسی اولین‌بار کریستال را پیدا کرد. آنچه مشخص است این است که پس از کشف، این ماده معدنی مرموز را در سال ۱۸۳۹ برای بازرس ارشد معدن‌ها، آگوست الکساندر کامرر (۱۷۸۹ – ۱۸۵۸)، کانی‌شناس روسی، فرستادند.

ساختار شیمیایی و ترکیب پروسکایت

ساختار کریستالی پروسکایت با شکل کلی ABX3 که در آن A+ در یک قفس تعیین شده توسط هماهنگی هشت‌وجهی B۲+ با آنیون‌های X- محصور است. فضای بینابینی بین هشت‌وجهی مجاور، کاتیون A را در ساختار سه‌بعدی محصور می‌کند. هنگامی که اندازه کاتیون بیش از حد بزرگ باشد، در ساختار کریستالی اعوجاج وجود دارد. با تغییر نسبت یون‌های A، B و X، می‌توان رفتار پروسکایت‌های ABX3 را تغییر داد. در اصل فرمول شیمیایی Perovskite (یک کانی زرد، قهوه‌ای یا سیاه) ABX3 است که از اولین Perovskite کلسیم تیتانات طبیعی (CaTiO3) به دست می‌آید.

انواع و کاربردهای پروسکایت

انواع مختلفی از پروسکایت‌ها وجود دارند، آنهایی که در سلول‌های خورشیدی و همچنین آنهایی که در زمینه‌های الکترونیک نوری به کار می‌روند که به طور منظم ترکیبی نیمه‌هادی هستند. پروسکیتهای آلی – معدنی دارای شکاف باند مستقیم، ضریب جذب نوری بالا، افزایش تحرک حامل‌های بار و انرژی اتصال اکسیتون هستند. ضریب جذب بالا، طول انتشار طولانی، خواص انتقال بار برتر، انتشار غیر تشعشعی کم و قابلیت پردازش محلول، آنها را به مواد مناسب برای کاربردهای فتوولتائیک تبدیل می‌کند. مواد Perovskite همچنین به طور گسترده در LED ها، آشکارسازهای نوری، نانو لیزرها و موج‌برها استفاده می‌شود. مواد Perovskite به‌عنوان امیدوارکننده‌ترین و کارآمدترین مواد انرژی کم‌هزینه برای کاربردهای مختلف دستگاه‌های نوری و فوتونیک ظاهر شدند.

ویژگیهای منحصر به فرد مواد پروسکایت

خواص فیزیکی منحصربه‌فرد مواد پروسکایتی مانند ضریب جذب بالا، انتقال بار دوقطبی دوربرد، انرژی اتصال اکسایتون کم، ثابت دی‌الکتریک بالا، خواص فتوالکتریک و غیره باعث استفاده زیاد در کاربردهای نوری و فتوولتائیک می‌شود. خواص فتوالکتریک و ابررسانایی برتر پروسکایت‌های مبتنی بر اکسید به طور گسترده برای کاربردهای مختلف موردمطالعه قرار گرفت. این مواد به دلیل بهبود خواص نوری و الکتریکی توجه زیادی را به خود جلب کردند. باتوجه‌به خواص برانگیختگی قوی مواد لایه‌ای Perovskite (هالیدهای سرب آلی – معدنی)، این مواد برای کاربردهای دیودهای ساطع نور لایه‌نازک (LED) و ترانزیستور اثر میدانی (FET) موردمطالعه قرار گرفتند.

پروسکایت در سلولهای خورشیدی

سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSCs) نوظهورترین حوزه تحقیق در میان فناوری‌های مختلف فتوولتائیک نسل جدید (به دلیل راندمان تبدیل فوق‌العاده توان (PCE) آن) هستند. PSC از ساختار کریستالی ABX3 معروف به ساختار Perovskite به‌عنوان یک‌لایه فعال نور استفاده می‌کند. برخلاف سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، PSCها ارزان‌تر هستند و می‌توان ساخت آن را با فرایند شیمیایی مرطوب ساده انجام داد. بااین‌حال، عیب عمده در به‌دست‌آوردن PCE، مساحت سطح کم فوتو آند و نوترکیبی حامل بار سطحی بالا است. علاوه‌برآن بی‌ثباتی و عمر ضعیف از دیگر تهدیدات جدی برای تجاری‌سازی PSCها هستند.

چالشها و محدودیتهای مواد پروسکایت

یکی از چالش‌های کلیدی در فرایند ساخت سلول‌های خورشیدی، پروسکایت باقی‌مانده است. هنوز نتوانسته‌اند PSCهای با راندمان بالا را در مقیاس بزرگ یا در شرایط جوی بسازند. محدودیت حفظ می‌شود؛ زیرا عملیات ساخت باید در یک محیط کنترل گردد و بی‌اثر (جعبه دستکش) تکمیل شود. به دلیل اینکه پروسکایت‌ها به اکسیژن و رطوبت بسیار حساس هستند. کاهش ناخواسته راندمان ناشی از زوال PSC ممکن است استفاده از PSCها را در خارج محدود کند. چالش کلیدی دیگر یافتن بهترین مواد حمل‌ونقل حامل مناسب است؛ زیرا پایداری یک دستگاه PSC به طور قابل‌توجهی تحت‌تأثیر آنها است. چالش دیگر مقیاس‌پذیری و تکرارپذیری تولید سلول‌های خورشیدی Perovskite است.

چشم انداز و تحقیقات آینده در مورد پروسکایت

چشم‌انداز آینده سلول‌های خورشیدی پروسکایت امیدوارکننده است و راندمان آنها به افزایش خود ادامه خواهد داد. همچنین به طور بالقوه از عملکرد فناوری‌های سنتی سلول‌های خورشیدی پیشی خواهد گرفت. با پیشرفت و بلوغ فناوری، انتظار می‌رود که دردسترس‌بودن سلول‌های خورشیدی Perovskite افزایش یابد و آنها را برای مصرف‌کنندگان و کسب‌وکارها بیشتر در دسترس قرار دهد. مقیاس‌پذیری و مقرون‌به‌صرفه بودن روش‌های تولید و تولید در مقیاس بزرگ را امکان‌پذیر می‌کند، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و انرژی خورشیدی را با منابع انرژی معمولی رقابتی‌تر می‌کند.

تاثیرات زیست محیطی و پایداری تولید پروسکایت

محققان گفتند که استفاده از سرب در لایه پروسکایت که برای برخی به دلیل سمی بودن آن بحث‌برانگیز است، در واقع تأثیر بسیار کمی بر امتیاز زیست‌محیطی داشته است. اگر پایداری تا طول عمر مشابه فناوری‌های موجود در بازار افزایش یابد، هیچ مانع غیر قابل عبوری برای استقرار گسترده سیستم‌های فتوولتائیک با ماژول‌های خورشیدی Perovskite وجود ندارد. هر فناوری فتوولتائیک، به‌ویژه برای اینکه یک محصول خورشیدی لایه‌نازک از نظر تجاری قابل‌دوام باشد، باید استانداردهای تست IEC 61646 را در مورد پایداری و طول عمر انجام دهد. باتوجه‌به پراکندگی زیاد رویه‌ها و داده‌هایی که در مورد پایداری سلول‌های خورشیدی Perovskite گزارش شدند، به‌شدت تشویق می‌شود که پروتکل‌های ISOS در نظر بگیرند و به طور گسترده‌تر مورداستفاده قرار گیرند.

سوالات متداول پروسکایت چیست؟

۱- انواع سلول خورشیدی پروسکایتی کدام‌اند؟

سلول‌های لایه‌نازک با پروسکایت به‌عنوان تنها ماده فتوولتائیک و سلول‌های پشت‌سرهم که دارای لایه‌های متعدد Perovskite یا یک‌لایه Perovskite نازک بر روی سیلیکون کریستالی سنتی هستند.

۲- مزایای Perovskite چیست؟

از مزایای پروسکایت می‌توان به ساخت و رسوب بر روی سطح با استفاده از فرایندهای کم‌هزینه نسبتاً آسان، bandgap قابل‌تنظیم و فرایند تولید انرژی بسیار کمتری نسبت به سلول‌های خورشیدی سنتی اشاره کرد.

۳- معایب Perovskite چیست؟

پروسکایت‌ها به‌مرورزمان در معرض رطوبت، نور، گرما و اکسیژن تجزیه می‌شوند. این به این معنی که باید فناوری‌های بیشتری برای تثبیت سلول‌ها برای استفاده گسترده ایجاد شود. این سلول‌ها هنوز برای فروش تجاری آماده نیستند.

۴- ساختار Perovskite چگونه است؟

پروسکایت (CaTiO3) ساختاری متعامد دارد. در Perovskite، A دوظرفیتی و B چهار ظرفیتی است به‌طوری‌که کلسیم را می‌توان به طور جزئی یا کامل با Na، منگنز، Ce، Sr، سرب و Ti را با Fe، Nb، Zr و Mg جایگزین کرد.

۵- پروسکایت‌ها چگونه پردازش می‌شوند؟

پروسکایت‌ها با استفاده از چندین فناوری از جمله پوشش اسپین، پوشش اسپری اولتراسونیک، رسوب بخار شیمیایی، چاپ جوهرافشان پردازش می‌شوند. در واقع برای ایجاد Perovskite باید ساختار نهایی را از پیش‌سازهای اجزای آن تشکیل دهید.