پژوهش جدید دانشگاه ایلینویز از جهش علمی در بهینه‌سازی کارایی و پایداری سلول‌های خورشیدی آلی خبر می‌دهد.
کلید بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی آلی، چاپ لایه‌های نانومتری است
دانشمندان دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین (University of Illinois Urbana-Champaign) در پژوهشی جدید، راهکاری نوین برای افزایش بهره‌وری و پایداری سلول‌های خورشیدی آلی (OSCs) ارائه کرده‌اند. این یافته می‌تواند این فناوری نوظهور را یک گام به تجاری‌سازی نزدیک‌تر کند.
سلول‌های خورشیدی آلی به دلیل وزن سبک، شفافیت و قابلیت انعطاف، کاربردهای گسترده‌ای دارند. این سلول‌ها می‌توانند هر سطحی را به یک منبع انرژی تبدیل کنند؛ از کوله‌پشتی‌ها و چادرهای مسافرتی که امکان تولید برق در شرایط میدانی را فراهم می‌کنند تا پنجره‌هایی که بدون ایجاد تغییر ظاهری، انرژی خورشیدی را به برق تبدیل می‌کنند.
با وجود این مزایا، سلول‌های خورشیدی آلی همچنان با چالش‌هایی روبه‌رو هستند. عملکرد مطلوب این سلول‌ها در آزمایشگاه، در فرآیند تولید صنعتی دچار افت چشمگیری می‌شود. اما پژوهشگران دانشگاه ایلینوی با بررسی نحوه مونتاژ مولکولی در حین ساخت، راهکاری برای این مشکل یافته‌اند.
این پژوهش که به سرپرستی دکتر یینگ دیائو (Ying Diao)، استاد مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی انجام شده است، نشان می‌دهد که فرآیند چاپ لایه‌های نانومتری در سلول‌های خورشیدی آلی، تأثیر مستقیمی بر کارایی و پایداری آن‌ها دارد.
الک دامرون (Alec Damron)، یکی از نویسندگان اصلی مقاله، درباره این کشف توضیح می‌دهد: «در حین چاپ، جوهر تبخیر می‌شود. بسته به سرعت چاپ و میزان تبخیر، می‌توانیم نحوه مونتاژ مولکول‌ها را کنترل کنیم. یافته‌های ما نشان می‌دهد که چاپ آهسته‌تر، باعث شکل‌گیری ساختارهای کریستال مایع در لایه فعال سلول خورشیدی می‌شود.»
این ساختارهای کریستال مایع، در مقایسه با تجمیع تصادفی مولکول‌ها، منجر به بهبود پایداری و کارایی سلول‌های خورشیدی می‌شوند. در ادامه آزمایش‌ها، محققان دریافتند که فرآیند مونتاژ می‌تواند به دو صورت انجام شود: مسیر بدون تقارن و مسیر متقارن.
آزایا خاسبائاتار (Azzaya Khasbaatar)، دیگر نویسنده اصلی پژوهش، درباره اهمیت این کشف می‌گوید: «مونتاژ متقارن باعث بهبود نظم بلوری و تفکیک فاز در فیلم‌های سلول‌های خورشیدی می‌شود. این مسئله نه‌تنها بهره‌وری را از طریق بهبود انتقال بار افزایش می‌دهد، بلکه باعث می‌شود فیلم‌ها پایداری بسیار بیشتری داشته باشند.»
نتایج این پژوهش نشان داد که مسیرهای کریستال مایع آخیرال، باعث بهبود ۲۰ درصدی راندمان و سه برابر شدن پایداری سلول‌های خورشیدی نسبت به روش‌های قبلی می‌شود. اما مسیر متقارن، جهشی قابل‌توجه ایجاد کرده و راندمان را تا ۵۶ درصد افزایش داده و پایداری را ۵۰ برابر کرده است.
دامرون تأکید می‌کند که این روند بهبود عملکرد، تنها محدود به یک نوع خاص از سلول‌های خورشیدی آلی نیست، بلکه قابلیت تعمیم به انواع مختلف این سلول‌ها را دارد.
دکتر دیائو توضیح می‌دهد که تاکنون بخش میانی فرآیند تولید سلول‌های خورشیدی آلی، یعنی مرحله‌ای که جوهر روی زیرلایه اعمال شده و قبل از تشکیل لایه نهایی تبخیر می‌شود، یک “جعبه سیاه” ناشناخته بوده است. «تا پیش از این، محققان بیشتر بر روی خواص مواد اولیه و عملکرد نهایی دستگاه تمرکز داشتند، اما بخش میانی فرآیند تا حد زیادی نادیده گرفته شده بود. ما توانستیم پرده از این مرحله برداریم و با درک بهتر آن، مسیرهایی برای تولید دستگاه‌های بهینه‌تر ارائه کنیم.»
