مشکل بزرگ ساخت و استفاده از سلول های خورشیدی حساس به رنگ چیست؟

سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ یا  Dye-Sensitized Solar Cells) DSSC) به‌عنوان نسل سوم سلول‌های خورشیدی شناخته می‌شوند. این

سلول‌ها به دلیل طراحی ساده، هزینه تولید پایین و عملکرد مناسب در شرایط نوری مختلف، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته اند.

با وجود تمام مزایا، این سلول ها هنوز نتوانسته ب اند به‌ طور گسترده وارد بازار تجاری شوند. پرسش مهم اینجاست:

بزرگ‌ترین مشکل ساخت و استفاده از سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ چیست و چرا این فناوری هنوز به مرحله بهره‌برداری انبوه نرسیده

است؟

آشنایی با سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) یا رنگدانه ای

سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ نوعی سلول خورشیدی هستند که طراحی آن‌ها با الهام از فرآیند فتوسنتز در گیاهان انجام شده است. در

این فناوری، یک رنگدانه جاذب نور نقش اصلی را بر عهده دارد و با جذب نور خورشید، فرآیند تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی را

امکان‌پذیر می‌سازد.

 عملکرد سلول های خورشیدی حساس به رنگ

عملکرد این سلول‌ها بر پایه همکاری چند جزء اصلی است:

رنگدانه: وظیفه جذب نور خورشید و برانگیختن الکترون‌ها را بر عهده دارد.

نیمه‌هادی: الکترون‌های برانگیخته را از رنگ به سمت الکترود انتقال می‌دهد.

الکترولیت: الکترون‌های از دست‌رفته رنگ را بازمی‌گرداند و چرخه انتقال بار را کامل می‌کند.

الکترودها (شفاف و رسانا): جریان الکتریکی را به مدار خارجی هدایت می‌کنند.

به بیان ساده، نور خورشید باعث فعال شدن رنگ می‌شود، الکترون‌ها به نیمه‌هادی منتقل می‌شوند و در نهایت با کمک الکترولیت و الکترودها،

جریان الکتریکی تولید می‌شود.

مشکلات استفاده از سلول های خورشیدی حساس به رنگ یا رنگدانه ای

با وجود مزایای فراوان، DSSC ها با مشکلاتی روبه‌رو هستند که مانع ورود آن‌ها به بازار تجاری شده است. مهم‌ترین این چالش‌ها عبارت‌اند از:

1. پایداری پایین و تخریب الکترولیت

الکترولیت‌های مایع در سلول های خورشیدی  رنگدانه ای ناپایدارند و در طول زمان دچار تبخیر یا تجزیه می‌شوند. این موضوع عمر مفید سلول را

کاهش می‌دهد و یکی از بزرگ‌ترین موانع تجاری‌سازی این فناوری است.

2. بازدهی کمتر نسبت به سلول‌های سیلیکونی

اگرچه DSSC در شرایط نوری ضعیف عملکرد مناسبی دارند، اما بازدهی کلی آن‌ها  کمتر از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی است.

3. استفاده از مواد گران یا سمی

برای افزایش کارایی سلول های خورشیدی حساس به رنگ از موادی مانند پلاتین، کبالت و روتنیوم استفاده می‌شود. این مواد علاوه بر هزینه بالا،

 اثرات منفی زیست‌محیطی دارند.

4. مشکل مقیاس‌پذیری و تولید صنعتی

فرآیند ساخت سلول های خورشیدی رنگدانه ای نیازمند دقت بالا در آب‌بندی برای جلوگیری از نشت الکترولیت است. 

5. حساسیت به شرایط محیطی

DSSC در برابر رطوبت، دما و نور شدید خورشید حساس هستند و همین باعث افت عملکرد و کاهش عمر مفید آن‌ها می‌شود.

نقش اکسید کبالت در سلول های خورشیدی حساس به رنگ

همان‌طور که در بالا اشاره شد، الکترولیت‌های مایع در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای (DSSC) ناپایدار هستند و در گذر زمان دچار تبخیر یا تجزیه

می‌شوند. این مسئله عمر مفید سلول را کاهش داده و یکی از بزرگ‌ترین موانع در مسیر تجاری‌سازی این فناوری به شمار می‌آید. در DSSC به‌طور

سنتی از جفت یدید/تری‌یُدید (I⁻/I₃⁻) به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌شود، اما این سیستم علاوه بر ناپایداری، مشکلات دیگری همچون خوردگی

قطعات فلزی و همچنین محدودیت در بازدهی کوانتومی را به همراه دارد. درنتیجه برای حل این مشکل، پژوهشگران به دنبال جایگزین‌های

پایدارتر رفتند و یکی از بهترین گزینه‌ها، کبالت و کمپلکس‌های اکسید کبالت بود.برای آشنایی با اکسید کبالت در شیمیایی عرفان کلیک کنید.

 دلایل استفاده از اکسید کبالت در DSSC:

بهبود بازدهی :

کمپلکس‌های کبالت می‌توانند به‌عنوان الکترولیت ردوکس عمل کنند و انتقال بار الکتریکی بین الکترودها و رنگ را تسهیل کنند. این موضوع باعث

می‌شود تلفات انرژی کمتر شده و بازدهی افزایش پیدا کند.

پایداری بیشتر:

الکترولیت‌های مبتنی بر کبالت پایداری شیمیایی بالاتری نسبت به سیستم یدید/تری‌یُدید دارند و در برابر تخریب طولانی‌مدت مقاوم‌ترند.

کاهش خوردگی:

استفاده از کمپلکس کبالت باعث می‌شود خوردگی الکترودها (خصوصاً پلاتین) کاهش پیدا کند و عمر مفید سلول بالا برود.

امکان تنظیم پتانسیل الکترود:

با طراحی مولکولی اکسید کبالت یا کمپلکس‌های کبالت می‌توان پتانسیل ردوکس را به گونه‌ای تنظیم کرد که با رنگدانه و نیمه‌هادی (TiO₂)

هماهنگ‌تر شود و انرژی بهینه‌تر انتقال یابد.

با وجود مزایای قابل‌توجه، استفاده از اکسید کبالت و کمپلکس‌های کبالت در سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ با محدودیت‌هایی همراه

است. نخست آن‌که هزینه این ترکیبات  بالاتر از جفت یدید/تری‌یُدید است و از نظر اقتصادی می‌تواند مانعی برای تولید انبوه باشد. علاوه بر این،

سمیت کبالت از دیدگاه زیست‌محیطی نگرانی‌هایی ایجاد می‌کند و نیازمند مدیریت دقیق در فرآیند تولید و بازیافت است. در نهایت، بهره‌گیری

مؤثر از اکسید کبالت مستلزم مهندسی دقیق مولکولی برای هماهنگی مناسب میان رنگدانه، نیمه‌هادی (مانند TiO₂) و الکترولیت است؛ موضوعی

که پیچیدگی طراحی و ساخت DSSC را افزایش می‌دهد.

نتیجه گیری

از اکسید کبالت (یا کمپلکس‌های کبالت) به‌عنوان الکترولیت جایگزین در سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ استفاده می‌شود. این ماده به بهبود

بازدهی، افزایش پایداری و کاهش خوردگی کمک می‌کند، اما مشکلاتی مانند هزینه و ملاحظات زیست‌محیطی دارد.با این وجود، محققان در حال

کار بر روی بهبود این سلول‌ها و رفع این مشکلات هستند.