گروهی از پژوهشگران در دانشگاه باسک (UPV/EHU) اسپانیا با افزودن یک لایه زیاد نازک از ماده نوظهور MXene در رابط بین لایه الکترون‌بر و جذب‌کننده پروسکایت، موفق شدند بازده تبدیل انرژی یک سلول خورشیدی پروسکایت را به ۲۵.۷۵ درصد برسانند؛ عددی که رکورد برای سلول‌های بر پایه MXene یا هر ماده دوبعدی دیگر محسوب می‌شود. افزون بر کارایی بالا، پایداری سلول نیز دیدنی است، طوری که بعد از ۱۲۰۰ ساعت آزمایش، بیشتر از ۹۵ درصد کارایی خود را نگه داری کرده است. این نتیجه نویدبخش فصل تازه‌ای برای پنل‌های خورشیدی نازک، کارآمد و اقتصادی است.

مسئله کلیدی در این پیروزی، منفعت گیری از لایه‌ای زیاد نازک از ماده دوبعدی «MXene» (تیتانیوم‌-کاربید Ti₃C₂Tx) است که در رابط بین لایه‌ الکترون‌بر (ETL) و لایه‌ جذب‌کننده پروسکایت قرار گرفته است.

MXene — نامی که به علت شباهت ساختاری این ماده به گرافن انتخاب شده، با خواص الکترونیکی و نوری اختصاصی‌اش دقت پژوهشگران را جلب کرده است: رسانایی فلزی بالا، قابلیت عبور نور، جابه‌جایی بالای حامل بار و قابلیت تنظیم تابع کار (work function).

در این پروژه، محققان لایه‌ MXene را در مرز بین لایه‌ SnO₂ (به گفتن ETL) و لایه پروسکایت قرار دادند تا نقص‌ها و خلأهای اکسیژنی را افت دهند و استخراج بار الکتریکی را بهینه کنند. به حرف های یکی از پژوهشگران، «MXene با ترمیناسیون کلر (Cl-terminated) که منفعت گیری کردیم، به‌طور چشمگیری خلأهای اکسیژن را در سطح رابط افت داد».

نتیجه این می بود که پراکندگی ذرات و راه اندازی حفره‌های ریز (پین‌هول‌ها) که طبق معمولً در پراکنش MXene در لایه جذب­‌کننده رخ می‌دهد، تا حد بسیاری افت یافت. با تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی (SEM) و طیف‌نگاری رامان، آن‌ها دریافتند که این لایه MXene علتتحول در الگوی بلورین پروسکایت و بهبود کیفیت کریستالی آن می‌شود.

علاوه بر این، اتصال بین لایه‌ MXene و سطح SnO₂ جهت شد تا نقص‌ها و خلأهای حاضر روی سطح SnO₂ رفع شود و تعامل منفی با عیوب سطحی افت یابد.

سلولی که ساخته شد، بر پایه بستر ITO و با ساختار: ITO / SnO₂ ETL / لایه MXene / جذب‌کننده پروسکایت / لایه انتقال حفره (HTL) بر پایه اسپایرو-اُمتاد (Spiro-OMeTAD) / تماس فلزی طلا، مهیا شد.

زمان آزمایش تحت روشنایی استاندارد، این سلول بازده تبدیل توان ۲۵.۷۵ درصد، ولتاژ مدار باز ۱۱۸۴ میلی‌ولت، چگالی جریان مختصر‌زمان ۲۵.۹۳ mA/cm² و فاکتور پر شدن (fill factor) ۸۴ درصد را ثبت کرد. برای قیاس، سلولی شبیه بدون لایه MXene  بازده ۲۳.۰۳ درصد، ولتاژ ۱۱۳۱ میلی‌ولت، چگالی جریان ۲۵.۳۷ mA/cm² و فاکتور پر شدن ۸۰ درصد داشت.

مسئله مهم دیگر پایداری طویل‌زمان این سلول است؛ بعد از ۱۲۰۰ ساعت قرارگیری در شرایط آزمایش، ۹۵.۵ درصد از بازده اولیه نگه داری شد؛ در حالی‌که سلول مرجع (بدون MXene) فقط ۷۶.۹ درصد کارکرد اولیه را نگاه داشت.

به حرف های دانشمندان، این «بیشترین کارکرد و پایداری گزارش‌شده با منفعت گیری از MXene یا هر ماده دوبعدی دیگر» است. پیروزی به هم‌افزایی دو عامل «ولتاژ مدار باز بالاتر» و «فاکتور پر شدن بهتر» برمی‌گردد که ناشی از افت بازترکیب غیرتشعشعی (non-radiative recombination) و بهبود استخراج بار در رابط SnO₂–پروسکایت است.

در ادامه، محققان از همین ساختار در قالب یک ماژول منفعت گیری کردند و بازده ۲۱.۷۶ درصد با پایداری ارتقاء یافته مشاهده کردند. آن‌ها اصرار کرده‌اند که تحقیقات بعدی بر مقیاس‌بندی از سلول آزمایشی به ماژول کامل متمرکز خواهد می بود.

پیشتر کوششهایی برای منفعت گیری از MXene در سلول‌های خورشیدی پروسکایت انجام گرفته می بود که بازده‌هایی نظیر ۲۳ درصد، ۱۷ درصدو ۲۵.۱۳ درصد گزارش شده می بود؛ اما هیچ‌کدام همزمان هم سطح کارایی جاری و هم پایداری طویل مدت را اراعه نکرده بودند. این دستاورد نه فقط گامی در ترقی سلول‌های پروسکایت مبتنی بر مواد دوبعدی است، بلکه جهشی امیدوارکننده به سوی نسل تازه پنل‌های خورشیدی ارزان، نازک و کارآمد است.