سلول های خورشیدی که به عنوان فتوولتائیک (PV) شناخته می شوند، دسته ای از دستگاه های انرژی تجدید پذیر هستند که فوتون های پرتوهای خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل می کنند. سلول های خورشیدی در اشکال مختلفی وجود دارند که رایج ترین انواع آن از مواد معدنی تشکیل شده است. اما، پیشرفت‌های جدید در فناوری، طیف وسیعی از سلول‌های خورشیدی لایه نازک را تولید کرده است. پیشرفت های قابل توجه از توانایی سلول های خورشیدی برای چاپ با استفاده از جوهر گرفته تا سلول های خورشیدی انعطاف پذیر ساخته شده از مواد آلی، سلول های خورشیدی که از نقاط کوانتومی استفاده می کنند و سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSCs) را شامل می شود. در اینجا، ما به انواع مختلف سلول های خورشیدی لایه نازک که اکنون می توان ایجاد کرد و شیمی پشت این پیشرفت ها نگاه می کنیم.

سلول های خورشیدی آلی دومین دسته بزرگ سلول های خورشیدی هستند. این سلول‌های خورشیدی آلی معمولاً از مواد پلیمری استفاده می‌کنند – اما می‌توانند از مواد آلی دیگر نیز برای تبدیل فوتون‌ها به الکتریسیته استفاده کنند. تولید سلول‌های خورشیدی آلی بسیار ارزان‌تر و انعطاف‌پذیرتر از سلول‌های خورشیدی معدنی است، اما راندمان تبدیل آنها بسیار پایین‌تر است. برخلاف سلول‌های خورشیدی معدنی، مولکول‌های آلی را می‌توان با محلول پردازش کرد و مهندسان طراح می‌توانند از این فرمول‌ها برای ایجاد دستگاه‌های بسیار نازک‌تر از همتایان غیرآلی خود استفاده کنند.

ترکیب شیمیایی پلیمر برای تولید جریان الکتریکی بسیار مهم است. روش های شیمیایی را می توان برای تغییر شکاف باند پلیمر به کار برد که امکان تنظیم الکترونیکی را فراهم می کند. اگرچه راندمان تبدیل سلول های خورشیدی آلی به اندازه مواد معدنی نیست، مواد آلی ضریب جذب نوری بسیار بالایی دارند، به همین دلیل است که مهندسان طراح می توانند دستگاه های نازک تری را بدون از دست دادن توانایی تولید برق بسازند. شیمی همچنین به پلیمرها اجازه می‌دهد تا به فرمول‌هایی تبدیل شوند که می‌توانند چاپ شوند (سلول‌های خورشیدی قابل چاپ) و سلول‌های خورشیدی آلی را قادر می‌سازد شفاف باشند و پس از آن می‌توان از آنها در پنجره‌ها و سایر مناطق ساختمان‌ها استفاده کرد.

بسیاری ممکن است انتظار داشته باشند که مکانیسم های کار تقریباً مشابه سلول های خورشیدی معدنی باشد. با این حال، ساختار شیمیایی و داخلی اساساً متفاوت است. در سلول‌های خورشیدی معدنی، از مواد ناخالص برای تغییر ساختار شیمیایی مواد معدنی استفاده می‌شود، به طوری که الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شوند که سپس توسط یک منطقه تخلیه از هم جدا می‌شوند، جایی که برخی از حفره‌ها و الکترون‌ها قبلاً دوباره ترکیب شده‌اند، که منجر به جدایی آن‌ها می‌شود. هزینه های باقی مانده مهاجرت این حامل‌های بار جدا شده به سمت مخالف ناحیه تخلیه تحت جذب فوتون باعث جریان می‌شود.

با این حال، سلول های خورشیدی آلی متفاوت هستند. سلول های خورشیدی آلی از مواد دهنده و گیرنده خاصی برای تولید الکترون ها و حفره ها به جای مواد دوپ شده استفاده می کنند. مولکول‌های آلی فوتون‌های نور را جذب می‌کنند که اکسیتون‌ها – الکترون و حفره مربوط به آن را تولید می‌کنند. جذب نور همچنین باعث می شود که الکترون های درون اکسایتون برانگیخته شوند و در نتیجه از نوار ظرفیت به نوار رسانایی حرکت می کنند. سپس اکسایتون به سطح مشترک بین مواد دهنده و گیرنده حرکت می کند، جایی که به یک الکترون و یک حفره جدا می شود. این جداسازی بار باعث می شود که جریانی جریان یابد زیرا الکترون ها و حفره ها به سمت الکترودها می روند.

سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSCs) یکی دیگر از دسته های نوظهور سلول های خورشیدی لایه نازک هستند که باز هم مکانیزم کاملاً متفاوتی برای تولید جریان الکتریکی تحت تابش خورشیدی دارند. این یک کلاس از سلول های خورشیدی لایه نازک است که نیمه شفاف و نیمه انعطاف پذیر هستند.

در DSSC ها همه چیز در مورد آند است. آند در یک DSSC با یک فیلم نیمه رسانا و به دنبال آن یک لایه دی اکسید تیتانیوم پوشیده شده است. این بیشتر با آغشته شدن به یک رنگ حساس به نور – که معمولاً یک کمپلکس روتنیوم است – که به لایه دی اکسید تیتانیوم پیوند دارد، دنبال می شود. کاتد به سادگی یک صفحه شیشه ای است که با یک فیلم پلاتین پوشیده شده است تا به عنوان کاتالیزور عمل کند. بین دو الکترود محلول الکترولیت قرار دارد.

همانطور که از نام آن پیداست، رنگ – واقع در آند – کلید مکانیسم تولید جریان است. هنگامی که نور به یک DSSC می تابد، رنگ برانگیخته می شود و باعث می شود الکترون های آن از حالت پایه به حالت برانگیخته تبدیل شوند. این انرژی بالاتر رنگ را قادر می‌سازد بر شکاف باند نیمه‌رسانا غلبه کند، پس از آن اکسید می‌شود و یک الکترون در نوار رسانایی نیمه‌رسانا آزاد می‌شود. این باعث می شود نیمه هادی رسانا شود و جریانی ایجاد شود. تعادل الکترونیکی سلول توسط مولکول های الکترولیت که یک الکترون به رنگ اهدا می کنند، ایجاد می شود، جایی که رنگ دوباره به حالت پایه الکترونیکی غیر برانگیخته تبدیل می شود. الکترولیت از طریق یک واکنش احیا در کاتد به حالت الکترونیکی طبیعی خود بازسازی می شود.

سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی به اندازه سایر سلول های خورشیدی لایه نازک توسعه یافته نیستند، اما رغبت به آنها در حال افزایش است. نقاط کوانتومی مواد 0D هستند (الکترون ها به صورت کوانتومی در هر سه جهت محصور هستند) که اندازه آنها تنها چند نانومتر است. اندازه و خواص کوانتومی نقاط کوانتومی به این معنی است که آنها دارای خاصیت جذب نوری و انتشار منحصر به فرد هستند. یکی از دلایل کلیدی استفاده از نقاط کوانتومی، فاصله باند قابل تنظیم آنهاست. از آنجایی که آنها در طبیعت نیمه رسانا هستند، مانند نیمه هادی های معدنی سنتی کار می کنند، اما به دلیل اندازه کوچک هر نقطه کوانتومی، اساسا به عنوان یک سلول خورشیدی چند اتصالی عمل می کنند.

فاصله باند قابل تنظیم به این معنی است که آنها همچنین می توانند برای جذب تابش در طول موج های مختلف طیف الکترومغناطیسی تنظیم شوند. همانطور که وجود دارد، بازده آنها بسیار کمتر از سایر سلول های خورشیدی است. با این حال، پتانسیل زیادی برای این دستگاه ها وجود دارد. نقاط کوانتومی تنها نوع ماده ای است که در سلول های خورشیدی استفاده می شود که می تواند به ازای هر فوتون جذب شده بیش از یک الکترون آزاد کند. همه مواد دیگر نسبت 1:1 دارند، بنابراین نقاط کوانتومی به طور بالقوه می توانند با آزاد کردن الکترون های بیشتری برای هر فوتون نور جذب شده، بازده تبدیل را به طور قابل توجهی افزایش دهند.

اگرچه سلول های خورشیدی معدنی رایج ترین هستند، انواع مختلفی از سلول های خورشیدی وجود دارد. بسیاری از سلول‌های خورشیدی دیگر آنقدر کارآمد نیستند، اما آنچه را که از نظر بازدهی کم دارند، با خواص دیگر جبران می‌کنند. یکی از محرک های کلیدی استفاده از مواد غیر آلی این است که می توان آنها را بسیار نازک تر ساخت، انعطاف پذیرتر هستند، می توانند از نظر نوری شفاف باشند و در برخی موارد قابل چاپ هستند. توانایی استفاده از مواد دیگر، سلول‌های خورشیدی را قادر می‌سازد تا روی بخش‌هایی از ساختمان‌ها – مانند پنجره‌ها یا روی معماری‌های منحنی – که با استفاده از سلول‌های خورشیدی غیرآلی سنتی پوشش داده نمی‌شوند، اجرا شوند. این قابلیت‌های سلول‌های خورشیدی را به‌عنوان دسته‌ای از دستگاه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر بسیار گسترش می‌دهد و آنها را بسیار متنوع‌تر می‌کند. و مانند بسیاری چیزها، شیمی مواد مورد استفاده این امکان را فراهم می کند.