گروهی از پژوهشگران در دانشگاه باسک (UPV/EHU) اسپانیا با افزودن یک لایه بسیار نازک از ماده نوظهور MXene در رابط بین لایه الکترونبر و جذبکننده پروسکایت، موفق شدند بازده تبدیل انرژی یک سلول خورشیدی پروسکایت را به ۲۵.۷۵٪ برسانند؛ عددی که رکورد برای سلولهای بر پایه MXene یا هر ماده دوبعدی دیگر محسوب میشود. افزون بر کارایی بالا، پایداری سلول نیز چشمگیر است طوری که پس از ۱۲۰۰ ساعت آزمایش، بیش از ۹۵٪ کارایی خود را حفظ کرده است. این نتیجه نویدبخش فصل تازهای برای پنلهای خورشیدی نازک، کارآمد و اقتصادی است.
سلول خورشیدی پروسکایت با لایه MXene بازده بسیار بالایی را رقم زد
نکته کلیدی در این موفقیت، استفاده از لایهای بسیار نازک از ماده دوبعدی «MXene» (تیتانیوم-کاربید Ti₃C₂Tx) است که در رابط میان لایهی الکترونبر (ETL) و لایهی جذبکننده پروسکایت قرار گرفته است.
MXene — نامی که به دلیل شباهت ساختاری این ماده به گرافن انتخاب شده — با خواص الکترونیکی و نوری ویژهاش توجه پژوهشگران را جلب کرده است: رسانایی فلزی بالا، قابلیت عبور نور، جابهجایی بالای حامل بار و قابلیت تنظیم تابع کار (work function).
در این پروژه، محققان لایهی MXene را در مرز میان لایهی SnO₂ (به عنوان ETL) و لایه پروسکایت قرار دادند تا نقصها و خلأهای اکسیژنی را کاهش دهند و استخراج بار الکتریکی را بهینه کنند. به گفتهٔ یکی از پژوهشگران: «MXene با ترمیناسیون کلر (Cl-terminated) که استفاده کردیم بهطور چشمگیری خلأهای اکسیژن را در سطح رابط کاهش داد».
نتیجه این بود که پراکندگی ذرات و تشکیل حفرههای ریز (پینهولها) که معمولاً در پراکنش MXene در لایه جذبکننده رخ میدهد، تا حد زیادی کاهش یافت. با تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی (SEM) و طیفنگاری رامان، آنها دریافتند که این لایه MXene باعث تغییر در الگوی بلورین پروسکایت و بهبود کیفیت کریستالی آن میشود.
علاوه بر این، اتصال بین لایهی MXene و سطح SnO₂ سبب شد تا نقصها و خلأهای موجود روی سطح SnO₂ برطرف شود و تعامل منفی با عیوب سطحی کاهش یابد.
سلولی که ساخته شد، بر پایه بستر ITO و با ساختار: ITO / SnO₂ ETL / لایه MXene / جذبکننده پروسکایت / لایه انتقال حفره (HTL) بر پایه اسپایرو-اُمتاد (Spiro-OMeTAD) / تماس فلزی طلا، مهیا شد.
هنگام آزمایش تحت روشنایی استاندارد، این سلول بازده تبدیل توان ۲۵.۷۵٪، ولتاژ مدار باز ۱۱۸۴ میلیولت، چگالی جریان کوتاهمدت ۲۵.۹۳ mA/cm² و فاکتور پر شدن (fill factor) ۸۴٪ را ثبت کرد. برای مقایسه؛ سلولی مشابه بدون لایه MXene بازده ۲۳.۰۳٪، ولتاژ ۱۱۳۱ میلیولت، چگالی جریان ۲۵.۳۷ mA/cm² و فاکتور پر شدن ۸۰٪ داشت.
نکته مهم دیگر پایداری طولانیمدت این سلول است: پس از ۱۲۰۰ ساعت قرارگیری در شرایط آزمایش، ۹۵.۵٪ از بازده اولیه حفظ شد؛ در حالیکه سلول مرجع (بدون MXene) فقط ۷۶.۹٪ عملکرد اولیه را نگاه داشت.
به گفته دانشمندان، این «بالاترین عملکرد و پایداری گزارششده با استفاده از MXene یا هر ماده دوبعدی دیگر» است. موفقیت به همافزایی دو عامل «ولتاژ مدار باز بالاتر» و «فاکتور پر شدن بهتر» برمیگردد که ناشی از کاهش بازترکیب غیرتشعشعی (non-radiative recombination) و بهبود استخراج بار در رابط SnO₂–پروسکایت است.
در ادامه، محققان از همین ساختار در قالب یک ماژول استفاده کردند و بازده ۲۱.۷۶٪ با پایداری ارتقا یافته مشاهده کردند. آنها تاکید کردهاند که تحقیقات بعدی بر مقیاسبندی از سلول آزمایشی به ماژول کامل متمرکز خواهد بود.
پیشتر تلاشهایی برای استفاده از MXene در سلولهای خورشیدی پروسکایت انجام گرفته بود که بازدههایی نظیر ۲۳٪، ۱۷٪ و ۲۵.۱۳٪ گزارش شده بود؛ اما هیچکدام همزمان هم سطح کارایی فعلی و هم پایداری بلندمدت را ارائه نکرده بودند. این دستاورد نه فقط گامی در ارتقای سلولهای پروسکایت مبتنی بر مواد دوبعدی است بلکه جهشی امیدوارکننده به سوی نسل جدید پنلهای خورشیدی ارزان، نازک و کارآمد است.
