افزایش راندمان و پایداری سلول‌های خورشیدی پرسکایتی با لایه دولایه اکسید قلع (SnO₂)

🔬 چکیده پژوهش

پژوهشگران کره جنوبی موفق شده‌اند با استفاده از لایه انتقال الکترون دولایه از اکسید قلع (Bilayer SnO₂ ETL)، راندمان و پایداری سلول‌های خورشیدی پرسکایتی با معماری تماس پشتی (Back-Contact PSC) را به‌طور محسوسی افزایش دهند. این رویکرد با بهبود کیفیت فصل مشترک‌ها و کاهش بازترکیب بار، یکی از چالش‌های اصلی این ساختار پیشرفته را برطرف می‌کند.

☀️ معماری تماس پشتی در سلول‌های پرسکایتی چیست؟

در سلول‌های خورشیدی پرسکایتی با تماس پشتی (BC-PSC):

• لایه جاذب پرسکایت در بالای ساختار قرار می‌گیرد
• نور خورشید مستقیماً به لایه فعال می‌تابد
• الکترودها و لایه‌های انتقال بار (ETL و HTL) در پشت سلول تعبیه می‌شوند

✅ مزایای این معماری

• کاهش تلفات نوری
• افزایش جذب فوتون
• پتانسیل راندمان بالاتر نسبت به ساختارهای Front-Contact

❌ چالش اصلی

حامل‌های بار (الکترون و حفره) باید مسیر طولانی‌تری طی کنند؛ این موضوع باعث افزایش:

• بازترکیب در فصل مشترک‌ها
• نقص‌های بین‌سطحی
• افت راندمان و کاهش پایداری عملیاتی

🧪 راهکار پژوهش: لایه انتقال الکترون دولایه SnO₂

تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر مین کیم از دانشگاه سئول و دانشجوی دکترای دوهون بک از دانشگاه ملی جونبوک، یک ETL دولایه از اکسید قلع طراحی کردند که به روش Spin-Coating ساخته می‌شود.

ساختار دولایه شامل:

• 🔹 لایه اول: SnO₂ نانوذره‌ای (Colloidal SnO₂)
• 🔹 لایه دوم: SnO₂ تهیه‌شده به روش Sol-Gel

این ترکیب باعث بهبود هم‌زمان:

• تماس فیزیکی در فصل مشترک پرسکایت–ETL
• هم‌ترازی نوار انرژی
• تحرک الکترونی
• کاهش تلفات ناشی از بازترکیب بار

⚡ چرا SnO₂ برای ETL انتخاب شد؟

به گفته دکتر مین کیم:

«SnO₂ به دلیل هم‌ترازی مناسب نوار رسانش با پرسکایت و همچنین تحرک الکترونی بالاتر نسبت به TiO₂، گزینه‌ای ایده‌آل برای لایه انتقال الکترون است.»

مزایای SnO₂ نسبت به TiO₂:

• تحرک الکترونی بالاتر
• پردازش در دمای پایین
• سازگاری بهتر با معماری تماس پشتی
• کاهش تله‌های الکترونی در فصل مشترک‌ها

🔎 طراحی آزمایش و مقایسه ساختارها

سه نوع سلول خورشیدی BC-PSC با ETL متفاوت ساخته و بررسی شد:

1. SnO₂ کلوئیدی (نانوذره‌ای)
2. SnO₂ به روش Sol-Gel
3. SnO₂ دولایه (Bilayer) ✅

تمام ETLها:

• روی زیرلایه ITO
• با روش Spin-Coating
• و الگوگذاری فوتولیتوگرافی

ساخته شدند تا مقایسه عملکرد کاملاً منصفانه باشد.

📊 نتایج کلیدی آزمایش‌ها

🔌 جریان نوری تولیدی (Photocurrent)

• Bilayer SnO₂: ✅ 33.67 pA
• Sol-Gel SnO₂: 26.69 pA
• Colloidal SnO₂: 14.65 pA

⚙️ راندمان تبدیل توان (PCE)

• بیشینه راندمان: ✅ 4.52٪ (برای ساختار دولایه)
• همراه با پایداری عملیاتی بالاتر

🔍 افزایش کارایی مستقیماً به:

• کاهش بازترکیب
• بهبود استخراج بار
• و کیفیت بالاتر فصل مشترک مربوط است.

🌍 اهمیت این دستاورد برای آینده انرژی خورشیدی

طبق جمع‌بندی پژوهشگران، سلول‌های خورشیدی پرسکایتی با تماس پشتی:

• مناسب ماژول‌های انعطاف‌پذیر
• قابلیت مقیاس‌پذیری صنعتی
• پتانسیل بالا برای پنل‌های خورشیدی نسل آینده

✍️ به گفته دوهون بک:

«یافته‌های ما می‌تواند مسیر تجاری‌سازی فناوری BC-PSC را هموار کرده و نقش مهمی در توسعه راهکارهای انرژی پایدار ایفا کند.»

نویسنده منبع:  آرانیرو

محل: توکیو، ژاپن

انتشار علمی: Journal of Power Sources – جلد 654 (۳۰ اکتبر ۲۰۲۵)