طی دههٔ گذشته، پنل خورشیدی پروسکایت به یکی از داغترین موضوعات پژوهشی در حوزهٔ انرژیهای تجدیدپذیر تبدیل شدهاند. این نوع سلولهای خورشیدی که بر پایهٔ مواد پروسکایتی ساخته میشوند، در مدت زمان کوتاهی رکوردهای راندمان را جابهجا کرده و امیدهای زیادی برای کاهش هزینه و افزایش انعطافپذیری در صنعت فتوولتائیک به وجود آوردهاند. در این مقالهٔ جامع، به بررسی ساختمان سلولهای پروسکایت، دلایل محبوبیت، آخرین دستاوردهای پژوهشی، چالشها و آیندهٔ تجاریسازی این فناوری میپردازیم و پیشرفتهای اخیر در سالهای ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵ را با استناد به منابع معتبر مرور میکنیم.
فهرست مطالب
پروسکایت چیست؟
واژهٔ پروسکایت به یک ساختار بلوری خاص اشاره دارد که برای اولین بار در کانی کلسیم تیتانیت (CaTiO₃) کشف شد. سلولهای پروسکایتی معمولاً از ترکیبات ارگانیک-فلزی-هالیدی مانند متیلآمونیومپلومبهالید یا فورمامیدینیمپلومبیودید ساخته میشوند. ساختار بلوری پروسکایت باعث میشود این مواد دارای خواص الکترونی و نوری مطلوب برای جذب و تبدیل نور خورشید به برق باشند. مهمترین ویژگیهای پروسکایتها عبارتاند از:
-
ضریب جذب بالا: لایههای نازک پروسکایت توانایی جذب بخش وسیعی از طیف نور خورشید را دارند و به همین دلیل حتی در ضخامتهای بسیار کم (چند صد نانومتر) میتوانند فوتونها را بهطور کارآمد جذب کنند.
-
پهناهای باند قابلتنظیم: با تغییر ترکیبات شیمیایی (مثلاً جایگزینی ید با برم یا کلر، یا افزودن قلع به جای سرب) میتوان پهنای باند انرژی پروسکایت را تنظیم کرد. این امکان در طراحی سلولهای تاندم (چندلایه) بسیار ارزشمند است زیرا هر لایه میتواند بخشی از طیف نور را هدف قرار دهد.
-
امکان تولید در دمای پایین: پروسکایتها با روشهای محلولمحور مثل spin-coating یا چاپ جوهری در دماهای پایین قابلتولید هستند. این مزیت باعث کاهش مصرف انرژی و هزینهٔ تولید نسبت به ویفرهای سیلیکونی میشود.
-
تطبیقپذیری مکانیکی: فیلمهای پروسکایت را میتوان روی زیرلایههای منعطف و سبک وزن رسوب داد و بنابراین امکان تولید پنلهای قابلحمل، نیمهشفاف یا حتی رولشدنی فراهم است.
این خصوصیات پروسکایتها را به گزینهای جذاب برای نسل بعدی پنلهای خورشیدی تبدیل کرده است، اما همانطور که در ادامه خواهیم دید، چالشهایی نیز وجود دارد که مانع گسترش تجاری آنها شده است.
رشد چشمگیر راندمان
راندمان سلولهای پنل خورشیدی پروسکایت از اولین گزارشها که حدود ۳٫۸٪ در سال ۲۰۰۹ بود، به سرعت افزایش یافت و در طول کمتر از یک دهه به مرز ۳۰٪ نزدیک شد. علت اصلی این رشد سریع، امکان بهینهسازی ترکیب شیمیایی و ساختار لایهای پروسکایتهاست. امروزه چند نوع سلول پروسکایتی در حال توسعه هستند:
۱. سلولهای پروسکایت تکلایه (Single-junction)
در این نوع، تنها یک لایهٔ پروسکایتی بهعنوان جذبکنندهٔ نور استفاده میشود. آزمایشگاهها راندمان این سلولها را تا حدود ۲۷٪ رساندهاند. بهعنوان مثال، تیمی از پژوهشگران در مرکز HZB آلمان با قرار دادن لایهای فلوئوردار بین پروسکایت و لایهٔ تماس بالا، موفق شدند راندمان ۲۷٪ را با پایداری یکساله حفظ کنند. آنها با ایجاد یک پوشش نازک Teflon مانند در فصل مشترک پروسکایت و لایهٔ C60، اتلاف انرژی و نقصهای ساختاری را کاهش دادند. نمونههای مرجع بدون این لایه پس از ۳۰۰ ساعت ۲۰ درصد از عملکرد خود را از دست دادند، اما سلولهای اصلاحشده پس از ۱۲۰۰ ساعت همچنان راندمان خود را حفظ کردند.
۲. سلولهای پروسکایت–سیلیکون تاندم
برای عبور از سقف راندمان سیلیکون (حدود ۲۹٪)، پژوهشگران لایههای پروسکایت را با سلولهای سیلیکونی ترکیب کردهاند. در این ساختار، لایهٔ پروسکایت نورهای پرانرژی را جذب میکند و نورهای کمانرژیتر به لایهٔ سیلیکونی زیرین میرسند. در سال ۲۰۲4 شرکت چینی LONGi رکورد جهانی راندمان ۳۴٫۶ درصد را برای سلول دونهادهٔ پروسکایت-سیلیکون در نمایشگاه SNEC اعلام کرد. همچنین مؤسسهٔ Academia Sinica در تایوان به راندمان ۳۱٫۵٪ دست یافت و شرکتهای دیگری مانند EneCoat Technologies با همکاری تویوتا سلولی چهارترمینال با راندمان ۳۰٫۴٪ تولید کردند. این رکوردها نشان میدهند که سلولهای تاندم میتوانند راندمانهای بسیار بالایی را تحقق بخشند.
۳. سلولهای چندجانه (Triple-junction)
تحقیقات در سال ۲۰۲۵ نشان میدهد که استفاده از سه لایهٔ نیمهرسانا با پهنای باندهای مختلف میتواند راندمان را بیش از پیش افزایش دهد. پژوهشگران دانشگاه سیدنی بزرگترین سلول سهلایهٔ پروسکایت-پروسکایت-سیلیکون با اندازهٔ ۱۶ سانتیمتر مربع را ساختهاند که راندمان پایدار ۲۳٫۳٪ داشت و نسخهٔ ۱ سانتیمتری آن به راندمان ۲۷٫۰۶٪ رسید. این سلولها پس از ۴۰۰ ساعت کار تحت نور، ۹۵٪ از راندمان خود را حفظ کردند و با عبور از ۲۰۰ سیکل حرارتی بین -۴۰ تا ۸۵ درجهٔ سانتیگراد همچنان پایدار بودند. این نتایج قابلیت عملیاتی شدن سلولهای چندلایهٔ پروسکایتی را نشان میدهد.
بهبود پایداری: چالش اصلی
اگرچه راندمان پنل خورشیدی پروسکایت رو به افزایش است، پایداری و طول عمر هنوز یکی از بزرگترین موانع تجاریسازی محسوب میشود. سلولهای سیلیکونی قادرند ۲۵ تا ۳۰ سال کار کنند، در حالی که پروسکایتها در صورت عدم محافظت مناسب ممکن است تنها چند ماه یا سال دوام داشته باشند. بنابراین پژوهشگران به دنبال راهکارهایی برای افزایش دوام این سلولها هستند. چند نمونهٔ مهم عبارتاند از:
۱. لایههای حفاظتی و پوششهای شیمیایی
همانطور که پیشتر اشاره شد، تیم HZB با استفاده از لایهٔ فلوئوردار بین پروسکایت و لایهٔ تماس بالا، عمر سلول را به ۱۲۰۰ ساعت رساند. این لایه همانند تفلون عمل کرده و ضمن حفظ تماس الکتریکی، از نفوذ رطوبت و اکسیژن جلوگیری میکند و نقصهای ساختاری را کاهش میدهد.
۲. افزودنیهای نمکی و نمکهای یونی
پژوهشگران NREL ایالات متحده با افزودن نمک یونی CPMAC به جای لایهٔ فولرن C₆₀ در سلولهای پروسکایت، عملکرد و دوام آنها را افزایش دادند. این نمک باعث بهبود استحکام مکانیکی لایهٔ انتقال الکترون و افزایش پایداری شد. در آزمایشها، سلولهای مجهز به این نمک بازده ۲۶٫۱٪ داشته و پس از ۲۱۰۰ ساعت کار در دمای ۶۵ درجه تنها ۲٪ افت راندمان نشان دادند. بدون این افزودنی، سلولها در دمای ۸۵ درجه پس از ۱۵۰۰ ساعت ۵٪ کاهش راندمان داشتند. این نتایج نشان میدهد که تغییر ترکیب شیمیایی لایهٔ انتقال میتواند به عمر طولانیتر سلول بیانجامد.
۳. تغییر ترکیب پروسکایت و حذف مواد ناپایدار
در برخی مطالعات، پژوهشگران با جایگزینی یونهای ناپایدار یا سمی، پایداری را بهبود دادهاند. بهعنوان مثال، در سلولهای سهلایهٔ دانشگاه سیدنی به جای متیلآمونیوم از یون روبیدیوم استفاده شد، و لیتیوم فلوراید با پایپرازینیوم دیکلراید جایگزین شد. این تغییر ترکیبات باعث کاهش نقصهای ساختاری و افزایش دوام سلولها شد.
۴. افزودنیهای کاهندهٔ نقص
محققان دانشگاه Surrey و Imperial College London با افزودن کاهندهٔ ید به سلولهای پروسکایت سرب-قلع توانستند راندمان ۲۳٫۲٪ و افزایش عمر ۶۶٪ را گزارش کنند. همچنین استفاده از نانوذرات آلومینا سبب شد که پنلها بیش از ۱۵۳۰ ساعت با کارایی بالا کار کنند، در حالی که نمونههای بدون آن تنها ۱۶۰ ساعت دوام آوردند.
۵. پروسکایتهای جدید: چالکوژنیدها
بیشتر سلولهای پنل خورشیدی پروسکایت حالیدی بر پایهٔ سرب هستند که سمیاند و حساسیت زیادی به رطوبت و اکسیژن دارند. پژوهشگران دانشگاه استرالیایی با استفاده از پروسکایت چالکوژنید (BaZrS₃) که فاقد هالید و سرب است، سلولهایی ساختند که دوام بیشتری دارند و دارای راندمان بالایی هستند. این ترکیبات به دلیل مقاومت در برابر رطوبت و دما، گزینهای جذاب برای نسل بعدی سلولها محسوب میشوند.
مزایا و نقاط قوت پنلهای پروسکایت
-
راندمان بالا و روند رو به رشد: آزمایشگاهها بهطور مداوم رکوردهای راندمان پروسکایت را میشکنند. هرچند هنوز در مقیاس تجاری راندمان به سطح سلولهای سیلیکونی نزدیک نشده است، اما فناوریهای تاندم توانستهاند راندمانهای بالای ۳۰٪ را ثبت کنند.
-
هزینهٔ تولید پایین: به دلیل استفاده از فرآیندهای محلول و دماهای پایین، هزینهٔ انرژی و مواد کمتر است و انتظار میرود با تولید انبوه، قیمت هر وات انرژی بهطور چشمگیری کاهش یابد.
-
انعطافپذیری و کاربردهای جدید: سلولهای پروسکایت قابلچاپ بر روی فیلمهای پلاستیکی، پارچهها و سطوح منحنی هستند. این ویژگی امکان ساخت پنلهای خمیده، شفاف (مثلاً در پنجرهها)، رنگی و حتی ماژولهای سبک برای وسایل قابلحمل را فراهم میکند.
-
پهنای باند قابل تنظیم: توانایی تنظیم پهنای باند انرژی با تغییر ترکیب شیمیایی، امکان طراحی سلولهای چندلایه با جذب طیف کامل نور خورشید را میدهد.
معایب و چالشهای فعلی
-
پایداری پایین: بزرگترین مانع تجاریسازی پنل خورشیدی پروسکایت کاهش عملکرد طی زمان است. عوامل محیطی مانند رطوبت، اکسیژن، گرما و نور فرابنفش میتوانند ساختار بلوری را تخریب کنند. گرچه پیشرفتهایی مانند لایههای حفاظتی و افزودنیهای شیمیایی عمر آنها را افزایش داده است، اما هنوز به طول عمر ۲۵ سال پنلهای سیلیکونی نرسیدهاند.
-
وجود سرب و مواد سمی: بسیاری از ترکیبات پروسکایت حاوی سرب هستند و این موضوع نگرانیهای زیستمحیطی و سلامتی ایجاد میکند. تلاشها برای استفاده از قلع یا دیگر عناصر جایگزین همچنان در حال انجام است، اما جایگزینها معمولاً راندمان کمتر یا پایداری پایینتری دارند.
-
مشکلات مقیاسپذیری: بسیاری از رکوردهای راندمان بر روی سلولهای کوچک (مثلاً ۱ سانتیمتر مربع) بهدست آمدهاند. انتقال این فناوری به صفحات بزرگتر (ماژولهای چند ده سانتیمتری) و حفظ کیفیت لایههای پروسکایت در مقیاس تولید انبوه، چالشهای فنی و سرمایهگذاری قابلتوجهی دارد.
-
نیاز به استانداردسازی و آزمون: چون فناوری پروسکایت نسبتاً جدید است، استانداردهای صنعتی و دستورالعملهای آزمون طول عمر و عملکرد آن هنوز کامل نشدهاند. سازندگان و نهادهای استاندارد باید پروتکلهای آزمون مناسب (مانند آزمونهای IEC) را تعریف کنند.
مسیر تجاریسازی و بازار
چندین شرکت پیشرو مانند Oxford PV، Longi، Meyer Burger و Solaronix در حال توسعهٔ ماژولهای پروسکایت-سیلیکون تاندم هستند. Oxford PV در آزمایشهای میدانی بر روی ماژولهای تاندم، راندمان ۲۹٪ را اعلام کرده و برنامه دارد تولید تجاری را در سالهای آینده آغاز کند. از طرف دیگر، سازندگان چینی مانند Longi و Jinko قصد دارند طی سه تا پنج سال آینده ماژولهای تاندم را وارد بازار کنند.
در ایران، با توجه به پتانسیل بالای تابش خورشید، فناوری پروسکایت میتواند در آینده جذاب باشد، اما زیرساختهای تولید و مقررات لازم هنوز مهیا نشده است. تولیدکنندگان ایرانی در حال حاضر بیشتر از پنلهای سیلیکونی استفاده میکنند و برای ورود به حوزهٔ پروسکایت نیاز به سرمایهگذاری و انتقال فناوری دارند. همکاری با دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی جهانی میتواند در تسریع این روند نقش مهمی ایفا کند.
نتیجهگیری
پنل خورشیدی پروسکایت پتانسیل انقلابی در صنعت انرژی دارند. این فناوری با راندمانهای بالای آزمایشگاهی، هزینهٔ تولید پایین و ویژگیهای منحصر بهفرد مانند انعطافپذیری و امکان تولید بر روی سطوح مختلف، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. در عین حال، چالشهای پایداری، استفاده از مواد سمی و مشکلات مقیاسپذیری باید برطرف شوند تا این فناوری بتواند جایگاه خود را در بازارهای جهانی پیدا کند.
پژوهشهای سالهای اخیر – از رکورد ۲۷٪ راندمان با لایهٔ فلوئوردار و حفظ عملکرد طی ۱۲۰۰ ساعت گرفته تا رکورد ۳۴٫۶٪ در سلولهای تاندم LONGi و افزودنیهای نمکی NREL که پایداری را بهبود دادهاند– نشان میدهند که مسیر پیشرفت پروسکایتها روشن است و احتمالاً در آیندهٔ نزدیک شاهد ورود ماژولهای تاندم با راندمان بالای ۳۰٪ به بازار خواهیم بود.
در نهایت، استفاده از پنلهای پروسکایت میتواند گامی مهم در جهت کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی و حرکت به سمت آیندهای پایدار باشد، اما انتخاب آگاهانهٔ فناوری و در نظر گرفتن ملاحظات زیستمحیطی و اقتصادی امری ضروری است. پژوهش و توسعهٔ بیشتر در حوزهٔ مواد و ساختارها به همراه ایجاد استانداردهای مشخص میتواند زمینه را برای تجاریسازی گستردهٔ این فناوری نوظهور فراهم سازد.