چنگدو، چین – 20 اکتبر 2025- در یک دستاورد برجسته در زمینه انرژی های تجدیدپذیر، محققان دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین (UESTC) یک سلول خورشیدی پروسکایتی ساخته اند که به بازده تبدیل برق تایید شده 25.13 درصد رسیده است. این پیشرفت با ترکیب-کاربید تیتانیوم دو بعدی، معروف به MXene، به عنوان یک افزودنی چند منظوره در لایه جذب کننده نور پروسکایت محقق شد. این نوآوری نشاندهنده یک گام مهم نه تنها در افزایش عملکرد، بلکه در مقابله با چالشهای حیاتی پایداری و مدیریت حرارتی است که از لحاظ تاریخی مانع گسترش تجاری فتوولتائیکهای پروسکایتی شده است.
ساختار سلول جدید، که در مطالعه "MXene چند منظوره برای مدیریت حرارتی در سلول های خورشیدی پروسکایت" منتشر شده درماکرو{0}حروف خرددارای زیرلایه ای از شیشه و اکسید قلع ایندیم (ITO)، یک لایه انتقال الکترون ساخته شده از اکسید قلع (SnO2)، جاذب پروسکایت اصلاح شده MXene-، یک لایه انتقال سوراخ با استفاده از Spiro-OMeTAD، و یک تماس فلزی طلا .
هسته اصلی این پیشرفت در ویژگی های منحصر به فرد MXene نهفته است. این ترکیبات که به دلیل ساختار گرافن{1}}شان نامگذاری شدهاند، به دلیل رسانایی فلزی استثنایی، تحرک حامل بار بالا و ویژگیهای سطح قابل تنظیم شناخته شدهاند. هنگامی که نانوصفحات Ti3C2T2 MXene در لایه پروسکایت جاسازی می شوند، به عنوان یک جزء همه کاره عمل می کنند که به طور همزمان اتلاف گرما و عملکرد اپتوالکترونیکی را افزایش می دهد.
تیم تحقیقاتی بیان کرد: "جامعه تحقیقاتی انرژی خورشیدی به دنبال ماده ای بوده است که بتواند همزمان استخراج بار را بهینه کند، پایداری را افزایش دهد و به راحتی پردازش شود. مزایای چند منظوره MXene پتانسیل بزرگ آن را برای ساخت سلول های خورشیدی پروسکایت نه تنها با راندمان تبدیل توان بالا بلکه پایداری حرارتی عالی نیز نشان می دهد."
یکی از حیاتی ترین عملکردهای افزودنی MXene نقش آن در مدیریت حرارتی است. تحت نور مداوم خورشید، تجمع گرما در سلول های خورشیدی یکی از دلایل اصلی کاهش عملکرد است. تیم تحقیقاتی نشان داد که ادغام نانوصفحات Ti3C2T2 مسیرهای هدایت گرمایی کارآمد را در لایه پروسکایت ایجاد می کند. این امر هدایت حرارتی لایه را از 0.236 W·m-1·K-1 به 0.413 W·m-1·K-1 افزایش داد. در نتیجه، دمای کار سلول خورشیدی در شرایط استاندارد نور تقریباً 3 درجه کاهش یافت، از 42.96 درجه به 39.97 درجه، که به طور قابل توجهی کاهش{9}} تخریب ناشی از گرما را کاهش داد.
فراتر از مدیریت حرارتی، نانوصفحات MXene مزایای متعدد دیگری نیز به همراه داشت. آنها به عنوان غیرفعال کننده های نقص موثر در مرزهای دانه کریستال های پروسکایت عمل کردند و تلفات نوترکیبی بار را کاهش دادند. این منجر به یک فیلم پروسکایتی یکنواخت تر و صاف تر با اندازه دانه بزرگتر شد که با کاهش زبری فیلم از 24.9 نانومتر به 15.2 نانومتر تأیید شد. علاوه بر این، فیلم پروسکایت اصلاح شده جذب نور قوی تری را در ناحیه مرئی نشان داد.
اثر ترکیبی این بهبودها منجر به شکستن رکورد-عملکرد. دستگاه قهرمان بازده تبدیل توان 25.13% را به دست آورد که افزایش قابل توجهی نسبت به بازده 23.70% سلول مرجع بدون MXene دارد. همچنین ویژگیهای الکتریکی برتر را با ولتاژ مدار باز 1.177 ولت، چگالی جریان مدار کوتاه 25.29 میلی آمپر سانتیمتر مربع و ضریب پر شدن 84.4 درصد نشان داد.
شاید به اندازه جهش راندمان، افزایش قابل توجه در پایداری دستگاه مهم باشد. سلول مبتنی بر MXene بعد از 500 ساعت قرار گرفتن در شرایط دمای بالا 85 درجه و رطوبت نسبی حدود 30-35 درصد، حدود 80 درصد از کارایی اولیه خود را حفظ کرد. در یک آزمایش پایداری که در اتمسفر نیتروژن با حداکثر ردیابی نقطه توان انجام شد، دستگاه پس از 500 ساعت 70 درصد راندمان اولیه خود را حفظ کرد و به طور چشمگیری عملکرد بهتری از سلول کنترل داشت که به 20 درصد از عملکرد اولیه آن کاهش یافت. این پایداری قوی یک شاخص حیاتی از پتانسیل این فناوری برای عملیات طولانی مدت است.
علیرغم نتایج امیدوارکننده، تیم تحقیقاتی اذعان کرد که چالشها در مسیر تجاریسازی باقی میمانند، که در درجه اول مربوط به هزینه بالا و پیچیدگی سنتز مواد Ti3C2T2 است. تحقیقات آینده بر بهینه سازی مسیرهای سنتز برای کاهش هزینه ها و بهبود تکرارپذیری تمرکز خواهد کرد. کاوش در مواد جایگزین MXene، مانند Ti2CT2، همچنین یک جهت کلیدی برای کار آینده است.
این پیشرفت که از طریق ادغام استراتژیک MXene به دست آمد، آینده روشن تر و کارآمدتری را برای انرژی خورشیدی روشن می کند. روزی را میآورد که-فتوولتائیکهای پروسکایتی با کارایی بالا، بادوام و مقرونبهصرفه{2}}بهطور چشمگیری به منبع اصلی انرژی پاک تبدیل میشوند.
در مورد دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین (UESTC):
دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین یک دانشگاه ملی قدیمی-است که به دلیل برنامههای تحقیقاتی خود با تمرکز بر علوم الکترونیک و اطلاعات، علوم مواد و فناوریهای انرژی مشهور است.
