سلول‌های خورشیدی پروسکایتی (Perovskite Solar Cells یا PSCs) به دلیل توانایی دستیابی به بازده بالا و همچنین ظرفیت بالقوه برای تولید در مقیاس وسیع، توجه زیادی را در حوزه انرژی خورشیدی به خود جلب کرده‌اند. با این حال، مسیر تبدیل این فناوری از نمونه‌های آزمایشگاهی به تجهیزات بزرگ‌تر همچنان با موانع مهمی همراه است.
یکی از مشکلات اصلی در مرحله ساخت این سلول‌ها، شکل‌گیری کنترل‌نشده لایه پروسکایتی است. هنگام تشکیل این لایه، اگر فرایند جوانه‌زنی و رشد بلورها به‌درستی کنترل نشود، نقص‌های ساختاری، بی‌نظمی شبکه بلوری و تنش‌های داخلی در ماده ایجاد می‌شوند. این نواقص تنها به مرحله ساخت محدود نمی‌مانند و در زمان کارکرد سلول نیز می‌توانند پیامدهای جدی ایجاد کنند.
در شرایطی مانند تابش نور، افزایش دما و قرار گرفتن سلول در معرض میدان الکتریکی، یون‌ها می‌توانند درون ماده پروسکایتی جابه‌جا شوند. این پدیده که «مهاجرت یونی» نام دارد، به‌تدریج ساختار ماده را دستخوش تغییر می‌کند و می‌تواند موجب افت عملکرد و کاهش عمر سلول شود. اهمیت این مشکل زمانی بیشتر می‌شود که قرار باشد فناوری پروسکایتی از سلول‌های کوچک آزمایشگاهی به ماژول‌های بزرگ و کاربردهای عملی منتقل شود.
در پژوهش جدید، دانشمندان چینی از آبی پروسی به‌عنوان یک چارچوب ساختاری سازگار با شبکه پروسکایتی استفاده کردند تا هم فرایند تشکیل بلورها را تنظیم کنند و هم حرکت یون‌ها را درون ماده کاهش دهند. نتایج این مطالعه در مجله Science و در مقاله‌ای با عنوان «آبی پروسی، دینامیک یون‌ها را در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی تنظیم می‌کند» منتشر شده است.
۴پژوهشگران ابتدا عملکرد این راهکار را در سلول‌های خورشیدی کوچک بررسی کردند و به بازده تبدیل توان ۲۶.۹ درصد دست یافتند. سپس این روش را در ابعاد بزرگ‌تر نیز آزمایش کردند. بازده ۲۳.۴ درصدی در مینی‌ماژول‌هایی با ابعاد ۶ در ۶ سانتی‌متر به دست آمد و در نهایت، زیرماژول پروسکایتی ۳۰ در ۳۰ سانتی‌متر توانست به بازده تأییدشده ۲۲.۹ درصد برسد.
برای درک دقیق‌تر عملکرد آبی پروسی، پژوهشگران از مجموعه‌ای از روش‌های پیشرفته مبتنی بر تابش سینکروترون در مرکز تابش سینکروترون پکن (Beijing Synchrotron Radiation Facility یا BSRF)، وابسته به مؤسسه فیزیک انرژی آکادمی علوم چین، استفاده کردند. این بررسی‌ها به دانشمندان اجازه داد تا فرایند تشکیل لایه پروسکایتی و تغییرات ساختاری آن را در حین ساخت، با جزئیات بیشتری دنبال کنند.
یکی از روش‌های اصلی مورد استفاده، پراش پرتو ایکس با زاویه برخورد کم و دامنه وسیع (Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering یا GIWAXS) بود. پژوهشگران با استفاده از این روش توانستند تغییرات ساختاری فیلم پروسکایتی را در زمان تشکیل آن به‌صورت درجا مشاهده کنند. آن‌ها همچنین از طیف‌سنجی ساختار ریز جذب پرتو ایکس (X-ray Absorption Fine Structure یا XAFS) برای بررسی محیط شیمیایی و هماهنگی اتمی در ساختار آبی پروسی بهره گرفتند.
نتایج GIWAXS نشان داد که آبی پروسی مسیر شکل‌گیری بلورهای پروسکایتی را به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌دهد. در شرایط معمول، جوانه‌زنی بلورها می‌تواند به‌صورت کنترل‌نشده و یکنواخت در نقاط مختلف فیلم اتفاق بیفتد؛ اما حضور چارچوب آبی پروسی این فرایند را به سمت نوعی جوانه‌زنی ناهمگن و منظم‌تر هدایت می‌کند.
این تغییر در مسیر تبلور اهمیت زیادی دارد. آبی پروسی از تشکیل برخی فازهای میانی محلول‌پایه و همچنین فاز δ-FAPbI3 که فعالیت نوری مطلوبی ندارد، جلوگیری می‌کند و در مقابل، گذار مستقیم‌تر به فاز α-FAPbI3 را که از نظر فوتواکتیویته مناسب‌تر است، تسهیل می‌کند. در نتیجه، بلورها ترجیحاً در راستای بلوری (۱۰۰) رشد می‌کنند و تنش کششی ایجادشده در شبکه پروسکایتی نیز به میزان چشمگیری کاهش می‌یابد.
اما نقش آبی پروسی تنها به مرحله تشکیل بلور محدود نمی‌شود. بررسی‌های بیشتر نشان داد که این چارچوب می‌تواند در جریان ورود کاتیون‌ها و فرایندهای اکسایش ـ کاهش، ساختار خود را تا حد زیادی حفظ کند. حتی پس از ورود یون‌های سزیم (Cs⁺) به کانال‌های موجود در شبکه آبی پروسی، گونه‌های آهن سه‌ظرفیتی (Fe³⁺) دچار کاهش شدند، اما چارچوب مکعبی مشخصه Fe–C≡N–Fe همچنان پایدار باقی ماند و تغییر قابل‌توجهی در فاصله‌های اصلی پیوندهای هماهنگی مشاهده نشد.
به بیان ساده‌تر، آبی پروسی می‌تواند یون‌های متحرک را در ساختار خود جای دهد و تا حدی بی‌حرکت کند، بدون آنکه چارچوب اصلی آن فروبپاشد. این ویژگی، پایه ساختاری مهمی برای کنترل مداوم شکل‌گیری نقص‌ها و کاهش مهاجرت یون‌ها در زمان کارکرد سلول فراهم می‌کند.
پژوهشگران برای مشاهده این فرایندها از تجهیزات پیشرفته مرکز تابش سینکروترون پکن استفاده کردند. در خط پرتوی ۱W1A، چن یو (CHEN Yu)، مهندس ارشد این مرکز، یک سکوی فشرده برای اندازه‌گیری درجا توسعه داد و آن را بهینه‌سازی کرد. این سامانه امکان پایش پویای تشکیل فیلم پروسکایتی را با روش GIWAXS فراهم می‌کرد و مراحل مختلفی از جمله پوشش‌دهی محلول پیش‌ماده، عملیات ضدحلال و بازپخت حرارتی را در محیط بی‌اثر تحت نظر داشت.
در خط پرتوی ۱W1B نیز آن پنگفی (AN Pengfei)، پژوهشگر وابسته، همراه با گروه تحقیقاتی شرایط اندازه‌گیری XAFS را بهینه‌سازی کرد تا طیف‌های باکیفیتی در لبه K آهن به دست آید. سپس با ترکیب تحلیل ساختار نزدیک به لبه جذب پرتو ایکس (XANES)، برازش ساختار ریز گسترده جذب پرتو ایکس (EXAFS) و تحلیل تبدیل موجک، محیط هماهنگی موضعی و تغییرات ساختاری آبی پروسی با جزئیات بررسی شد.
مجموع این یافته‌ها نشان می‌دهد که آبی پروسی می‌تواند هم‌زمان دو چالش اساسی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، یعنی تشکیل نامنظم بلورها و مهاجرت یون‌ها را هدف قرار دهد. از سوی دیگر، دستیابی به عملکرد مناسب در سلول‌های کوچک و حفظ بازده قابل‌توجه در ابعاد بزرگ‌تر، اهمیت این رویکرد را برای توسعه فناوری‌های فتوولتائیک پروسکایتی افزایش می‌دهد.
اگرچه برای تجاری‌سازی گسترده این فناوری همچنان باید پایداری بلندمدت، فرایند تولید انبوه و عملکرد ماژول‌ها در شرایط واقعی محیطی با دقت بیشتری بررسی شود، نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که کنترل هم‌زمان ساختار و دینامیک یون‌ها می‌تواند یکی از مسیرهای مهم برای عبور سلول‌های خورشیدی پروسکایتی از مرحله آزمایشگاهی به سامانه‌های بزرگ‌مقیاس باشد.