خلية پيروڤسكيت الشمسية Perovskite solar cell

(تم التحويل من Perovskite solar cell)
خلية بيروفسكيت الشمسية
نموذج أولي لوحدة خلية بيروفسكيت الشمسية

خلية پيروڤسكيت الشمسية إنگليزية: Perovskite solar cell (PSC) هي نوع من الخلايا الشمسية التي تشمل مركباً ذا بنية البيروفسكيت، وعادةً ما يكون مادة هجينة عضوية-لاعضوية مبنية على مركب الرصاص أو القصدير الهاليد كطبقة نشطة لامتصاص الضوء.[1][2] تعتبر المواد ببنية الپيروڤسكيت، مثل هاليدات الرصاص الميثيلامونيوم وهاليدات الرصاص السيزيوم اللاعضوية، ذات تكلفة منخفضة للإنتاج وسهولة في التصنيع.

زادت كفاءة الأجهزة على نطاق المختبر باستخدام هذه المواد من 3.8٪ في عام 2009.[3] "إلى 25.7% في عام 2021 في التصاميم ذات الاتجاه الواحد"[4][5] وفي خلايا السيليكون ذات التراكيب المتعاقبة، وصلت إلى 29.8٪،[4][6]متجاوزة الكفاءة القصوى التي تم تحقيقها في خلايا السيليكون ذات الاتجاه الواحد. وبالتالي، أصبحت خلية بيروفسكيت الشمسية هي التقنية الشمسية الأسرع تقدماً حتى عام 2016.[1]بفضل إمكانية تحقيق كفاءات أعلى وتكاليف إنتاج منخفضة جداً، أصبحت تقنية خلية بيروفسكيت الشمسية جاذبة تجارياً. تشمل المشاكل الأساسية ومواضيع البحث المتعلقة استقرارها على المدى القصير والطويل.[7]

الإيجابيات

كفاءة الخلايا الشمسية لمختلف تقنيات الخلايا (بما في ذلك التقنيات ذات البلورة الفردية والأغشية الرقيقة) وفقاً لمتابعتها من قبل NREL.

تكون المواد الخام المستخدمة وطرق التصنيع الممكنة (مثل تقنيات الطباعة المختلفة) ذات تكلفة منخفضة. [8] يُمكن لمعاملهم العالية لامتصاص الضوء تصلب أغشية فائقة الرقة بحوالي 500 نانومتر لامتصاص الطيف الشمسي المرئي بالكامل.[9] تجمع هذه الميزات معاً للقدرة على إنشاء وحدات شمسية رقيقة وخفيفة الوزن وقابلة للانحناء وذات كفاءة عالية بتكلفة منخفضة. وقد وجدت تقنية خلية بيروفسكيت الشمسية استخداماً في تشغيل نماذج لأجهزة الإلكترونيات اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة لتطبيقات إنترنت الأشياء[10] التي تعمل بالطاقة المحيطية، وقد تساعد في التخفيف من تغير المناخ[11]

تحظى خلايا الپيروڤسكيت أيضاً بالعديد من الخصائص الكهروضوئية التي تعود بالفائدة على استخدامها في الخلايا الشمسية. على سبيل المثال، طاقة ربط الإكسايتون، مما يسمح بسهولة فصل فجوات الإلكترونات والإلكترونات عند امتصاص الفوتون. بالإضافة إلى ذلك، مسافة الانتشار الطويلة لحامل الشحنة وارتفاع قدرته على الانتشار، يسمح لحاملي الشحنة بالانتقال على مسافات طويلة داخل خلية بيروفسكيت الشمسية، مما يعزز فرصة امتصاصها وتحويلها إلى طاقة. وأخيراً، تتميز خلايا البيروفسكيت بنطاقات امتصاص واسعة ومعاملات امتصاص عالية، مما يزيد بشكل إضافي من كفاءة الطاقة للخلية الشمسية عن طريق زيادة نطاقات طاقة الفوتونات التي يتم امتصاصها.[12]

المواد المستخدمة

بنية بلورة البيروفسكيت CH3NH3PbX3 بيرفسكيت (X=I, Br و/أو Cl). الكاتيون الميثيل أمونيوم (CH3NH3+) محاط بـ PbX6 بصورة ثمانية.[13]

يشتق الاسم "خلية بيروفسكيت الشمسية" من تركيب بلوري ABX3 لمواد الامتصاص، المشار إليها ببنية البيروفسكيت، حيث تعتبر A وB كاتيون وX [[أنيون. وُجد أن كاتيونات Å بأقطار تتراوح بين 1.60 و2.50 Å تشكل هياكل بيروفسكيت.[14]مادة البيروفسكيت الممتصة الأكثر دراسة هي تريهاليد الرصاص الميثيل أمونيوم (CH3NH3PbX3، حيث يكون X أيون هالوجين مثل اليوديد والبروميد والكلوريد)، والذي يتمتع بفجوة نطاق ضوئية تتراوح بين 1.55 و2.3 إلكترون فولت، اعتماداً على محتوى الهالوجين. تظهر ترايهاليد الرصاص لهيكل الفورماميدينيوم (H2NCHNH2PbX3) أيضاً وعداً، بفجوات نطاق تتراوح بين 1.48 و2.2 إلكترون فولت. يكون الحد الأدنى لفجوة النطاق أقرب إلى القيمة المثلى لخلية واحدة، لذلك يجب أن تكون قادرة على تحقيق كفاءات أعلى.[15] استخدم البيروفسكيت لأول مرة في خلية شمسية صلبة محسنة بواسطة صبغة حساسة للضوء باستخدام CsSnI3 كطبقة نقل ثقب من النوع p وممتص؛[16] تتعلق المخاوف الشائعة بوجود الرصاص كمكون لمواد البيروفسكيت؛ وقد تم أيضاً الإبلاغ عن خلايا شمسية تحتوي على مادة بيروفسكيت ممتصة قائمة على القصدير مثل CH3NH3SnI3، على الرغم من وجود كفاءات تحويل الطاقة المنخفضة.[17][18][19][20]

حد شوكلي-كويسر

خلايا شمسية متعددة الوصلات

الربيطات غير المتماكبة

البيروفسكيت اللاعضوي

تحسين كفاءة تحويل الطاقة للبيروفسكيت اللاعضوي خلال العقد الماضي من التطوير، البنية الأساسية[21]

البيروفسكيت الهجين ثنائي الأبعاد العضوية-لاعضوية

البنية

الخواص الميكانيكية

البيروفسكيت الهجين ثنائي الأبعاد/ثلاثية الأبعاد

البيروفسكيت الكالكوجينيدي

أبحاث أخرى

المعالجة

طرق الترسيب

ترسيب المحلول بخطوة واحد

ترسيب المحلول بخطوة واحدة مقابل ترسيب المحلول بخطوتين

ترسيب المحلول بخطوتين

الترسيب البخاري

قابلية التوسع

توسيع طبقة الامتصاص

توسيع طبقة نقل الشحنة

توسيع القطب الخلفي

السمية

Toxicity issues associated with the lead content in perovskite solar cells strains the public perception and acceptance of the technology.[22] The health and environmental impact of toxic heavy metals has been much debated in the case of CdTe solar cells, whose efficiency became industrially relevant in the 1990s. CdTe is a thermally and chemically very stable compound with a low solubility product, Ksp, of 10−34 and, accordingly, its toxicity is low. Nevertheless, rigorous industrial hygiene[23] and recycling programs[24] have been implemented. In contrast to CdTe, hybrid perovskites are very unstable and easily degrade to rather soluble compounds of Pb or Sn with KSP=4.4×10−9, which significantly increases their potential bioavailability[25] and hazard for human health, as confirmed by recent toxicological studies.[26][27] Although the 50% lethal dose of lead [LD50(Pb)] is less than 5 mg per kg of body weight, health issues arise at much lower exposure levels. Young children absorb 4–5 times as much lead as adults and are most susceptible to the adverse effects of lead.[28] In 2003, a maximum blood Pb level (BLL) of 5 μg/dL was imposed by the World Health Organization,[28] which corresponds to the amount of Pb contained in only 25 mm2 of the perovskite solar module. Furthermore, the BLL of 5 μg/dL was revoked in 2010 after the discovery of decreased intelligence and behavioral difficulties in children exposed to even lower values.[29] Recently, Hong Zhang et al. reported a universal co-solvent dilution strategy to significantly reduce the toxic lead waste production, the usage of perovskite materials as well as the fabrication cost by 70%, which also delivers PCEs of over 24% and 18.45% in laboratory cells and modules, respectively.[30]

تقليل سمية الرصاص

استبدال الرصاص في البيروفسكيت

التغليف لتقليل تسرب الرصاص

الطلاء لامتصاص تسرب الرصاص

الحدّ من استخدام مواد الرصاص خلال عملية تصنيع الأجهزة

فيزيائياً

حدود الكفاءة

المعمار

مخطط خلية بيروفسكيت الشمسية محسّنة، حيث تتكون الطبقة النشطة من طبقة من TiO2 المادة المسامية TiO2 المغطاة بممتص البيروفسكيت. تتماسك الطبقة النشطة مع مادة من النوع n لاستخلاص الإلكترونات ومادة من النوع p لاستخلاص الثقوب. b) مخطط لخلية بيروفسكيت الشمسية ذات طبقة رقيقة. في هذا التصميم، يتم وضع طبقة مسطحة من البيروفسكيت بين اتصالين انتقائيين. c) توليد الشحنة واستخلاصها في التصميم المحسن. بعد امتصاص الضوء في امتصاصية البيروفسكيت، يتم حقن الإلكترون المولد لطبقة TiO2 المسامية التي يتم استخراجها من خلالها. يتم نقل الثقب المولد في نفس الوقت إلى المادة من النوع p. d) توليد الشحنة واستخلاصها في التصميم ذو الطبقة الرقيقة. بعد امتصاص الضوء، يحدث توليد الشحنة واستخلاصها في طبقة البيروفسكيت.

أدوات وطرق البحث والتطوير

Expanding the standard research cycle in experimental material science
مخطط لكيفية يمكن لقاعدة البيانات المفتوحة وأدوات التصور التفاعلية والبروتوكولات وأنطولوجيا البيانات الوصفية لتقرير بيانات الأجهزة والشفرة المفتوحة المصدر لتحليل البيانات، إلخ، أن تدعم تطوير خلية بيروفسكيت الشمسية.
Development of perovskite cell efficiencies
مثال على تحليل من قاعدة البيانات؛ في النسخة الأولية، يمكن عرض "تطور الأداء للخلايا المرنة، على سبيل المثال، الخلايا القائمة على CsPbI3 أو الخلايا التي تلبي أي تركيبة من القيود" بنقرة واحدة

[31] -->

تاريخ

انظر أيضاً: Timeline of solar cells

الاستقرار

إعادة التدوير

انظر أيضاً: مخلفات إلكترونية, Sustainable design, and سياسة بيئية

سلوك التيار-الجهد ذو الذاكرة (البطاء المغناطيسي) (الغير خطي)

البيروفسكيت للتطبيقات الترادفية

4-ترادفات طرفية

2-ترادفات طرفية

النمذجة النظرية

رفع مستوى

جميع ترادفات بيروفسكيت

النمذجة

التسويق

انظر أيضاً

المراجع

  1. ^ أ ب Manser, Joseph S.; Christians, Jeffrey A.; Kamat, Prashant V. (2016). "Intriguing Optoelectronic Properties of Metal Halide Perovskites". Chemical Reviews. 116 (21): 12956–13008. doi:10.1021/acs.chemrev.6b00136. PMID 27327168.
  2. ^ Hamers, Laurel (2017-07-26). "Perovskites power up the solar industry". Science News.
  3. ^ Kojima, Akihiro; Teshima, Kenjiro; Shirai, Yasuo; Miyasaka, Tsutomu (May 6, 2009). "Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells". Journal of the American Chemical Society. 131 (17): 6050–6051. doi:10.1021/ja809598r. PMID 19366264.
  4. ^ أ ب "Best Research-Cell Efficiencies" (PDF). National Renewable Energy Laboratory. 2023-04-05. Retrieved 2023-04-14.
  5. ^ Min, Hanul; Lee, Do Yoon; Kim, Junu; Kim, Gwisu; Lee, Kyoung Su; Kim, Jongbeom; Paik, Min Jae; Kim, Young Ki; Kim, Kwang S.; Kim, Min Gyu; Shin, Tae Joo; Il Seok, Sang (21 October 2021). "Perovskite solar cells with atomically coherent interlayers on SnO2 electrodes". Nature. 598 (7881): 444–450. Bibcode:2021Natur.598..444M. doi:10.1038/s41586-021-03964-8. PMID 34671136. S2CID 239052065.
  6. ^ Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. "World record again at HZB: Almost 30 % efficiency for next-generation tandem solar cells". HZB Website.
  7. ^ Sun, Kai; Wang, Yanyan; Xu, Haoyuan; Zhang, Jing; Zhu, Yuejin; Hu, Ziyang (2019). "Short-Term Stability of Perovskite Solar Cells Affected by In Situ Interface Modification". Solar RRL. 3 (9): 1900089. doi:10.1002/solr.201900089. S2CID 202229877.
  8. ^ Stefano Razza; Sergio Castro-Hermosa; Aldo Di Carlo; Thomas M. Brown (2016). "Research Update: Large-area deposition, coating, printing, and processing techniques for the upscaling of perovskite solar cell technology". APL Materials. 4 (91508): 091508. Bibcode:2016APLM....4i1508R. doi:10.1063/1.4962478.
  9. ^ Wan-Jian Yin; Tingting Shi; Yanfa Yan (15 May 2014). "Unique Properties of Halide Perovskites as Possible Origins of the Superior Solar Cell Performance". Advanced Materials. 26 (27): 4653–4658. Bibcode:2014AdM....26.4653Y. doi:10.1002/adma.201306281. PMID 24827122. S2CID 27113056.
  10. ^ Sai Nithin R. Kantareddy; Ian Mathews; Shijing Sun; Mariya Layurova; Janak Thapa; Juan-Pablo Correa-Baena; Rahul Bhattacharyya Tonio Buonassisi; Sanjay E. Sarma; Ian Marius Peters (2019). "Perovskite PV-powered RFID: enabling low-cost self-powered IoT sensors". IEEE Sensors Journal. 20 (1): 471–478. arXiv:1909.09197. Bibcode:2020ISenJ..20..471K. doi:10.1109/JSEN.2019.2939293. S2CID 202712514.
  11. ^ O’Connor, David; Hou, Deyi (November 2021). "Manage the environmental risks of perovskites". One Earth. 4 (11): 1534–1537. Bibcode:2021OEart...4.1534O. doi:10.1016/j.oneear.2021.11.002. S2CID 244430089.
  12. ^ Chen, Xiang; Zhou, Hai; Wang, Hao (2021). "2D/3D Halide Perovskites for Optoelectronic Devices". Frontiers in Chemistry. 9: 715157. Bibcode:2021FrCh....9..679C. doi:10.3389/fchem.2021.715157. PMC 8416683. PMID 34490208.
  13. ^ Eames, Christopher; Frost, Jarvist M.; Barnes, Piers R. F.; o'Regan, Brian C.; Walsh, Aron; Islam, M. Saiful (2015). "Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells". Nature Communications. 6: 7497. Bibcode:2015NatCo...6.7497E. doi:10.1038/ncomms8497. PMC 4491179. PMID 26105623.
  14. ^ Park, N.-G. (2015). "Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology". Materials Today. 18 (2): 65–72. doi:10.1016/j.mattod.2014.07.007.
  15. ^ Eperon, Giles E.; Stranks, Samuel D.; Menelaou, Christopher; Johnston, Michael B.; Herz, Laura M.; Snaith, Henry J. (2014). "Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells". Energy & Environmental Science. 7 (3): 982. doi:10.1039/C3EE43822H.
  16. ^ Chung, I.; Lee, B.; He, J.; Chang, R.P.H; Kanatzidis, M.G. (2012). "All-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells with High Efficiency". Nature. 485 (7399): 486–489. Bibcode:2012Natur.485..486C. doi:10.1038/nature11067. PMID 22622574. S2CID 4420558.
  17. ^ Noel, Nakita K.; Stranks, Samuel D.; Abate, Antonio; Wehrenfennig, Christian; Guarnera, Simone; Haghighirad, Amir-Abbas; Sadhanala, Aditya; Eperon, Giles E.; Pathak, Sandeep K.; Johnston, Michael B.; Petrozza, Annamaria; Herz, Laura M.; Snaith, Henry J. (May 1, 2014). "Lead-free organic–inorganic tin halide perovskites for photovoltaic applications". Energy & Environmental Science. 7 (9): 3061. doi:10.1039/C4EE01076K. S2CID 4483675.
  18. ^ Wilcox, Kevin (May 13, 2014). "Solar Researchers Find Promise in Tin Perovskite Line". Civil Engineering. Archived from the original on October 6, 2014.
  19. ^ Meehan, Chris (May 5, 2014). "Getting the lead out of Perovskite Solar Cells". Solar Reviews.
  20. ^ Hao, F.; Stoumpos, C.C.; Cao, D.H.; Chang, R.P.H.; Kanatzidis, M.G. (2014). "Lead-free solid-state organic–inorganic halide perovskite solar cells". Nature Photonics. 8 (6): 489–494. Bibcode:2014NaPho...8..489H. doi:10.1038/nphoton.2014.82. S2CID 5850501.
  21. ^ Tai, Qidong; Tang, Kai-Chi; Yan, Feng (2019). "Recent progress of inorganic perovskite solar cells". Energy & Environmental Science. 12 (8): 2375–2405. doi:10.1039/C9EE01479A. S2CID 195424464.
  22. ^ Babayigit, Aslihan; Ethirajan, Anitha; Muller, Marc; Conings, Bert (March 2016). "Toxicity of organometal halide perovskite solar cells". Nature Materials. 15 (3): 247–251. Bibcode:2016NatMa..15..247B. doi:10.1038/nmat4572. hdl:2268/195044. PMID 26906955.
  23. ^ Bohland, J.R.; Smigielski, K. (2000). "First Solar's Cd Te module manufacturing experience; environmental, health and safety results". Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference - 2000 (Cat. No.00CH37036). pp. 575–578. doi:10.1109/PVSC.2000.915904. ISBN 0-7803-5772-8. S2CID 121877756.
  24. ^ "The recyclign advantage". First Solar. 2020.
  25. ^ Hailegnaw, Bekele; Kirmayer, Saar; Edri, Eran; Hodes, Gary; Cahen, David (2015-05-07). "Rain on Methylammonium Lead Iodide Based Perovskites: Possible Environmental Effects of Perovskite Solar Cells". The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (9): 1543–1547. doi:10.1021/acs.jpclett.5b00504. PMID 26263309.
  26. ^ Benmessaoud, Iness R.; Mahul-Mellier, Anne-Laure; Horváth, Endre; Maco, Bohumil; Spina, Massimo; Lashuel, Hilal A.; Forró, Làszló (2016-03-01). "Health hazards of methylammonium lead iodide based perovskites: cytotoxicity studies". Toxicology Research. 5 (2): 407–419. doi:10.1039/c5tx00303b. PMC 6062200. PMID 30090356.
  27. ^ Babayigit, Aslihan; Duy Thanh, Dinh; Ethirajan, Anitha; Manca, Jean; Muller, Marc; Boyen, Hans-Gerd; Conings, Bert (2016-01-13). "Assessing the toxicity of Pb- and Sn-based perovskite solar cells in model organism Danio rerio". Scientific Reports. 6 (1): 18721. Bibcode:2016NatSR...618721B. doi:10.1038/srep18721. PMC 4725943. PMID 26759068.
  28. ^ أ ب Fewtrell, Lorna; Kaufman, Rachel; Prüss-Üstün, Annette (May 2003). Lead: Assessing the Environmental Burden of Disease at National and Local Levels. World Health Organization. hdl:10665/42715. ISBN 978-92-4-154610-2.
  29. ^ Preventing disease through healthy environments: exposure to lead: a major public health concern. World Health Organization. 2019. hdl:10665/329953.
  30. ^ Zhang, Hong; Darabi, Kasra; Grätzel, Michael; Yaghoobi Nia, Narges; Aldo, Di Carlo; Amassian, Aram (2022). "A universal co-solvent dilution strategy enables facile and cost-effective fabrication of perovskite photovoltaics". Nature Communications. 13 (1): 89. Bibcode:2022NatCo..13...89Z. doi:10.1038/s41467-021-27740-4. PMC 8748698. PMID 35013272. CC-BY icon.svg Text was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  31. ^ Zhao, Yicheng; Heumueller, Thomas; Zhang, Jiyun; Luo, Junsheng; Kasian, Olga; Langner, Stefan; Kupfer, Christian; Liu, Bowen; Zhong, Yu; Elia, Jack; Osvet, Andres; Wu, Jianchang; Liu, Chao; Wan, Zhongquan; Jia, Chunyang; Li, Ning; Hauch, Jens; Brabec, Christoph J. (16 December 2021). "A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures". Nature Energy. 7 (2): 144–152. Bibcode:2022NatEn...7..144Z. doi:10.1038/s41560-021-00953-z. S2CID 245285868.

خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "noh" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.
خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "The efficiency limit of perovskite solar cells" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.
خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "Deng" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.
خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "Jung" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.

خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "Li" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.

للاستزادة

  • Xiao, Ke; Lin, Renxing; Han, Qiaolei; Hou, Yi; Qin, Zhenyuan; Nguyen, Hieu T.; Wen, Jin; Wei, Mingyang; Yeddu, Vishal; Saidaminov, Makhsud I.; Gao, Yuan; Luo, Xin; Wang, Yurui; Gao, Han; Zhang, Chunfeng; Xu, Jun; Zhu, Jia; Sargent, Edward H.; Tan, Hairen (November 2020). "All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm² using surface-anchoring zwitterionic antioxidant". Nature Energy. 5 (11): 870–880. Bibcode:2020NatEn...5..870X. doi:10.1038/s41560-020-00705-5. S2CID 223569048.
This article may include material from Wikimedia licensed under CC BY-SA 4.0. Please comply with the license terms.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=خلية_بيروفسكيت_الشمسية&oldid=4105786"