تقنية جديدة تعزز كفاءة خلايا الطاقة الشمسية العضوية إلى 20.4% وتتميز بمتانة تدوم 2,000 ساعة

استراتيجية جديدة لتثبيت الجزيئات تعد بحل تحديات خلايا الطاقة الشمسية العضوية (OSC) في مجالات الكفاءة والاستقرار وقابلية التوسع. توفر خلايا الطاقة الشمسية العضوية بديلاً خفيف الوزن ومرنًا قائمًا على الكربون، لتحل محل المواد السيليكونية، وتتمتع بإمكانات تجارية واسعة. ومع ذلك، فإن الطبقات الدقيقة لهذه الخلايا تتدهور بسرعة تحت درجات الحرارة العالية وأشعة الشمس المستمرة. يعمل فريق البحث من معهد نينغبو لتكنولوجيا المواد والهندسة (NIMTE) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم على معالجة هذه المشكلة المتعلقة بالاستقرار، من خلال اعتماد استراتيجية تثبيت جزيئي لتثبيت الطبقات الشمسية الدقيقة بشكل محكم.

على وجه الخصوص، تقدم هذه الاستراتيجية طبقة وسطى مخصصة لتثبيت المواد الشمسية كيميائيًا على الأقطاب الكهربائية. تشكل هذه البنية روابط جزيئية قوية، مما يعزز كفاءة الطاقة وطول العمر، مما يجعلها مناسبة للوحات الكبيرة الحجم.

تقنية جديدة تعزز الكفاءة والاستقرار

وفقًا لما ورد في الورقة البحثية، حققنا كفاءة تبلغ 20.4% في المساحة الصغيرة وكفاءة تبلغ 18.8% في وحدات المساحة النشطة. لفهم هذا التطور، يجب أولاً فهم سبب فشل خلايا الطاقة الشمسية المرنة. تستمد خلايا الطاقة الشمسية العضوية الطاقة من خلال غشاء أحادي الجزيء ذاتي التجميع (SAM) رقيق للغاية، يتم وضعه على أقطاب كهربائية شفافة. الاتصال بين الأقطاب والغشاء العضوي زلق للغاية. تحت درجات الحرارة العالية والإضاءة المستمرة، تنزلق الروابط الكيميائية وتنفصل، مما يؤدي إلى انفصال الطبقات، وفي النهاية يؤدي إلى فشل الخلايا. هذه مشكلة ثلاثية الأبعاد بالنسبة لخبراء الطاقة الشمسية: تحقيق توازن مثالي بين الكفاءة العالية، والاستقرار على المدى الطويل، وقابلية التوسع التجاري.

حتى الآن، يعني تحسين أحد المؤشرات عادةً التضحية بمؤشرات أخرى.

اختبارات المتانة تظهر أداءً ممتازًا

لتعزيز واجهة خلايا الطاقة الشمسية التي تعاني من مشاكل عديدة، أدخل فريق NIMTE طبقة وسطى رقيقة من كلوريد الإنديوم، والتي تتفاعل محليًا عند التسخين. هذه العملية تطرد أيونات الكلور السائبة، مما يشكل شبكة كثيفة من الروابط بين الإنديوم والأكسجين والفوسفور. تعمل هذه الشبكة الكيميائية على تثبيت الجزيئات الشمسية بإحكام، بدلاً من السماح لها بالتعلق بشكل غير محكم.

عند إجراء اختبارات المتانة على المواد، يؤدي تسخين المواد إلى تحفيز تفاعل كيميائي يزيل أيونات الكلور السائبة، ويشكل روابط قوية بين الإنديوم والأكسجين والفوسفور. تؤسس هذه العملية شبكة حماية دائمة على السطح. الطبقة الجديدة التي تم تشكيلها تثبت مواد خلايا الطاقة الشمسية بإحكام، مما يحسن الاستقرار العام بشكل كبير. أشار الباحثون في بيان صحفي إلى أن "الطبقة الوسطى تحفز تبادل الروابط، مما يشكل شبكة قوية من الروابط الإنديو-أكسجين-فوسفور، مثبتة بشكل كثيف ومتجانس لـ SAM." هذه الاستراتيجية حسنت الأداء على جميع مؤشرات الاختبار الرئيسية على الفور.

وصلت خلايا الطاقة الشمسية على نطاق المختبر إلى كفاءة تحويل طاقة مثيرة للإعجاب تبلغ 20.4%، بينما سجلت الوحدات الكبيرة التي تبلغ مساحتها 15.6 سنتيمتر مربع كفاءة قياسية تبلغ 18.8%.

من المثير للاهتمام أن هذه الأجهزة أظهرت متانة ممتازة، حيث احتفظت بأكثر من 85% من الناتج الأولي بعد 2,000 ساعة من التشغيل تحت الإضاءة المستمرة. قال الأستاذ ليو تشوان، المؤلف المراسل للدراسة: "قمنا بتوسيع هذه التقنية إلى وحدات كبيرة بحجم 15.6 cm²، وسجلنا كفاءة نشطة تبلغ 18.8%." توفر هذه الاستراتيجية الكيميائية العامة مسارًا لمستقبل الطاقة الشمسية العضوية التجاري. التغلب على التحديات الثلاثية المتعلقة بالكفاءة والاستقرار وقابلية التوسع قد يجعل تقنية الطاقة الشمسية المرنة أقرب إلى الإنتاج على نطاق واسع.

في المستقبل، قد تتمكن أسطح مثل نوافذ ناطحات السحاب، وأسقف السيارات، وأغطية الساعات الذكية من استخدام هذه الروابط الكيميائية الصغيرة لتوليد الطاقة بشكل صامت. تم نشر نتائج هذه الدراسة في 21 أكتوبر في مجلة Joule.

كيف تؤثر التقنية الجديدة على مستقبل خلايا الطاقة الشمسية العضوية

يواجه تطوير خلايا الطاقة الشمسية العضوية تحديات ثلاثية في الكفاءة والاستقرار وقابلية التوسع. نجحت التقنية الجديدة من خلال استراتيجية تثبيت الجزيئات في تعزيز كفاءة تحويل الطاقة والمتانة للخلايا، مما يوفر حلولًا فعالة لهذه المشكلات. مع نضوج هذه التقنية، من المتوقع أن تحقق إنتاجًا واسع النطاق في تطبيقات متنوعة، مما يعزز من انتشار واستخدام الطاقة المتجددة، خاصة في الحالات التي تتمتع فيها بالمرونة والوزن الخفيف، مثل المباني ووسائل النقل.