- طور باحثون طريقة جديدة لرفع كفاءة ومتانة الخلايا الشمسية البيروفسكايت.
- احتفظت الخلايا الشمسية التي تستخدم هذه التقنية بكفاءتها بعد تشغيل مستمر لمدة ثمانية أسابيع تحت ضوء الشمس المحاكي.
- تعاون فريق البحث مع جامعات أخرى لتحسين البنية البلورية وتقليل العيوب.
- ترجمت البنية البلورية المحسنة إلى أداء أفضل للأجهزة، مما يظهر إمكانات واعدة.
احتفظت الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام هذه التقنية بمعظم كفاءتها الأولية بعد تشغيل مستمر لمدة ثمانية أسابيع تحت ضوء الشمس المحاكي. يساعد الطور السائل في نمو البلورات، وتساهم مواد البيروفسكايت في جعل التكنولوجيا الشمسية أكثر جدوى اقتصادياً مع توفير كفاءة عالية. ويمكن معالجة هذه المواد من محاليل سائلة وترسيبها على شكل أفلام رقيقة، مما قد يقلل من الطاقة والتعقيد اللازمين للتصنيع مقارنة بالخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية. ومع ذلك، لا يزال إنتاج أفلام البيروفسكايت عالية الجودة يواجه تحديات. فهذه الأفلام عادة ما تحتوي على العديد من البلورات الصغيرة، وتسمى الحدود بين البلورات بحدود الحبيبات. وقد تؤدي العيوب في هذه المناطق إلى فقدان الطاقة، مما يقلل من أداء الجهاز. وتصبح هذه المشكلة أكثر وضوحاً عندما يحاول المصنعون إنتاج ألواح شمسية بمساحات أكبر، لأن الحفاظ على الكفاءة على مساحات أكبر يصبح صعباً.
حل مشكلة نمو البلورات
ولحل هذه المشكلة، تعاون فريق بحثي بقيادة ديفيد فينينغ، أستاذ الكيمياء والهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، مع زملاء من جامعة برينستون وجامعة سونغكيوكوان في كوريا الجنوبية. وأضافوا بروميد الزنك وكلوريد ميثيل الأمونيوم إلى المحلول المستخدم لإنتاج مادة تسمى بيروفسكايت الهاليدات. وعند التسخين، شكلت هذه الإضافات خليطاً منخفض نقطة الانصهار يسمى المادة المشتركة الانصهار. ويشكل هذا الخليط طوراً سائلاً مؤقتاً حول حدود البلورات النامية، مما يسمح للبلورات بإعادة الترتيب وتشكيل بنية أكثر تنظيماً. ومع استمرار التسخين، يتبخر كلوريد ميثيل الأمونيوم، تاركاً الزنك مركزاً حول حدود البلورات. ويساعد الزنك المتبقي في تحييد العيوب الإلكترونية التي قد تعيق حركة الشحنة. وقال كونور دولان، المؤلف المشارك الأول للدراسة وخريج الدكتوراه في الكيمياء والهندسة النانوية من مختبر فينينغ: "من خلال تطوير خليط إضافات يتطور بنشاط أثناء عملية التبلور، قدمنا طريقة جديدة لتنظيم نمو بيروفسكايت الهاليدات. والأكثر إثارة هو أن المنتج النهائي يزيل العيوب المحددة للأداء عند حواف الحبيبات البلورية." استخدم الباحثون تقنية متقدمة للتصوير بالأشعة السينية لمراقبة التغيرات في المادة على مقياس صغير جداً. وأظهرت قياساتهم أنه أثناء التسخين، أصبحت المناطق حول حدود البلورات غير منتظمة وشبيهة بالسائل، ثم عادت إلى حالة منتظمة بعد تبخر الملح الإضافي وانتهاء نمو البلورات. وأنتج هذا المعالجة بلورات أكبر مع عيوب هيكلية أقل وتوزيع أكثر تجانساً للخصائص الكيميائية. كما اهتم الباحثون بسبب حدوث هذا التحول صلب-سائل-صلب في نفس درجة الحرارة.إمكانية تحسين أداء الأجهزة
ترجمت البنية البلورية المحسنة إلى أداء أفضل للأجهزة. ففي الخلايا الشمسية، تحفز أشعة الشمس الإلكترونات، تاركة بعض الثقوب موجبة الشحنة. ويساعد الوقت الذي تبقى فيه أزواج الإلكترون-الثقب على قيد الحياة في الإشارة إلى فعالية المادة في دعم تحويل الطاقة الشمسية. وقال دولان: "تمتلك البيروفسكايت المصنعة باستخدام الإضافات المشكلة بالمادة المشتركة الانصهار أطول أزواج إلكترون-ثقب عمراً على الإطلاق بين جميع أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية المباشرة، مما يظهر إمكانات هذه الطريقة." كما اختبر الباحثون الطريقة في تراكيب مختلفة من البيروفسكايت، ووجدوا أنها فعالة في جميع الأنظمة الكيميائية التي فحصوها.وقال دولان: "يبدو أن كل ما جربناه يعمل! آمل أن تتاح لهذه الآلية فرصة أن تكون عالمية حقاً، وتوفر منصة لمزيد من الابتكارات في مجتمع البيروفسكايت." يدرس الفريق حالياً خلائط مشتركة انصهار أخرى للتحكم بشكل أفضل في عملية التبلور. ويأمل الباحثون أن توفر هذه الطريقة استراتيجية أوسع لإنتاج مواد بيروفسكايت عالية الجودة، ودعم تطوير تقنيات شمسية عالية الكفاءة يمكن تصنيعها على نطاق أوسع. وقد نُشر البحث في مجلة "Science".
البند المواصفات الكفاءة 24% - 26% مدة الاختبار ثمانية أسابيع
اختراق في تكنولوجيا الخلايا الشمسية البيروفسكايت
تحظى الخلايا الشمسية البيروفسكايت باهتمام واسع نظراً لكفاءتها العالية المحتملة وجدواها الاقتصادية. وتظهر هذه الدراسة أنه من خلال التحكم في عملية التبلور، يمكن تحسين أداء الخلايا بشكل كبير وتقليل العيوب، وهو أمر بالغ الأهمية لدفع تسويق تكنولوجيا البيروفسكايت. ومع تزايد الطلب على التكنولوجيا الشمسية، قد تصبح هذه الطريقة الجديدة مفتاح إنتاج الخلايا الشمسية عالية الكفاءة في المستقبل. كما تظهر جهود فريق البحث المستمرة أن هناك مجالاً للمزيد من الابتكار في تطوير مواد البيروفسكايت في المستقبل.