في تعاون بقيادة إمبريال كوليدج لندن، جنبًا إلى جنب مع باحثين من كامبريدج، UCL ، أكسفورد ، Helmholtz-Zentrum Berlin في ألمانيا، وآخرون، أنتج الباحثون موادًا يمكنها امتصاص مستويات مماثلة من ضوء الشمس مثل الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية ، ولكن ب 10،000 مرة أقل سماكة.
يمكن استخدامها ليس فقط على أسطح المنازل ومزارع الطاقة الشمسية ولكن أيضًا لتشغيل المركبات المستقلة ، مثل الطائرات والأقمار الصناعية، ومع ذلك، فإن الخلايا الشمسية الكهروضوئية ثقيلة وضخمة حاليًا، مما يجعل من الصعب نقلها إلى مواقع بعيدة خارج الشبكة، حيث تشتد الحاجة إليها.
الخلايا الشمسية حيوية لانتقال الطاقة الخضراء
المادة عبارة عن كبريتيد بزموت الصوديوم (NaBiS 2 ) ، والذي يزرع على شكل بلورات نانوية ويترسب من المحلول لصنع أغشية بسمك 30 نانومتر. يتكون NaBiS 2 من عناصر غير سامة وفيرة بدرجة كافية في قشرة الأرض للاستخدام التجاري.
على سبيل المثال، تُستخدم المركبات القائمة على البزموت كبديل غير سام للرصاص في اللحام ، أو في طب المعدة الذي لا يحتاج إلى وصفة طبية.
يي تنج هوانج، دكتوراه. طالب في جامعة كامبريدج والمؤلف الأول المشارك، علقوا بأنهم “وجدوا مادة تمتص الضوء بقوة أكبر من تقنيات الخلايا الشمسية التقليدية ويمكن طباعتها من الحبر، هذه التكنولوجيا لديها القدرة على صنع خلايا شمسية خفيفة الوزن يمكن أن تكون يسهل نقلها أو استخدامها في تطبيقات الفضاء. ”
فوائد الاضطراب والصوديوم
العوامل الحاسمة لامتصاص الضوء القوي هي تأثيرات الاضطراب ودور الصوديوم، أيونات الصوديوم والبزموت في NaBiS 2 لها أحجام متشابهة، مما يعني أنه بدلاً من احتلال مواقع بلورية مختلفة (مرتبة)، فإنها تشغل نفس الموقع (غير منظم).
نتيجة لذلك، يتغير التركيب البلوري إلى ملح الصخور، والذي يشبه ملح الطعام. ومع ذلك، لا يتم توزيع الصوديوم والبزموت بشكل موحد في المادة، وهذا (في) تجانس الاضطراب بين هذه الأيونات له تأثير كبير على قوة الامتصاص.
تم العثور على تأثيرات مماثلة في العمل الأخير على AgBiS 2، ولكن NaBiS 2 له بداية أقوى وأكثر حدة في امتصاص الضوء، وذلك لأن الصوديوم ، على عكس الفضة ، لا يساهم في الحالات الإلكترونية حول فجوة النطاق لأشباه الموصلات، نتيجة لذلك، هناك تركيز أعلى للحالات الإلكترونية المتاحة لامتصاص الضوء.
الاضطراب عدو الخلايا الشمسية
علق طالب في مجموعات بحثية للبروفيسور آرون والش في قسم المواد في إمبريال، والبروفيسور ديفيد سكانلون في كلية لندن الجامعية، على أن “الاضطراب يُنظر إليه منذ فترة طويلة على أنه عدو الخلايا الشمسية.
ومن المعروف أنه يقتل الكفاءة في المواد الشمسية التقليدية مثل السيليكون ( Si) ، والكادميوم تيلورايد (CdTe) وزرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، ركز الباحثون عادةً على تجنبها بأي ثمن.
هذا العمل، إلى جانب الدراسات الحديثة الأخرى من مجموعتنا ومجموعات أخرى، يوضح أن هذا ليس هو الحال بالضرورة. “، “بدلاً من ذلك، إذا تمكنا من فهم هذا الاضطراب والتحكم فيه، فيمكنه تقديم أداة قوية لضبط خصائص المواد وتحقيق أداء يحطم الأرقام القياسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، ليس فقط الخلايا الشمسية، ولكن أيضًا مصابيح LED والكهرباء الحرارية، على سبيل المثال “إنه أمر مثير احتمال البحث عن المواد”.
تكبير جزء من تريليون من الثانية
وجد الباحثون أيضًا أن الاضطراب له تأثير كبير وغير عادي على نقل الشحنات الضوئية في المادة، تمت دراسة هذا باستخدام تقنيات التحليل الطيفي التي تسبر العمليات التي تحدث حتى تريليون من الثانية (بيكو ثانية)، بالإضافة إلى النمذجة الحسابية.
وجدت هذه الدراسات، أن التوزيع غير المتجانس لأيونات الصوديوم والبزموت يؤدي إلى تشكيل حالات إلكترونية موضعية ، والتي تلتقط الشحنات بسرعة.
تعيش هذه الشحنات في هذه الحالات لعشرات الميكروثانية ، وهي أطول بما لا يقل عن 100 مرة من أشباه الموصلات الجديدة الأخرى، ومع ذلك، فإن الشحنات محصورة في هذه الدول ولا يمكنها التحرك إلا من خلال التنقل بين الدول ، مما يحد في النهاية من قدرتها على الحركة واستخراجها ككهرباء.
بشكل غير عادي، وجد الباحثون أيضًا أن العيوب الذرية تلعب دورًا ضئيلًا في NaBiS 2 ، لأن نقل الشحنات تهيمن عليه تأثيرات هذه الحالات الموضعية. وبالتالي ، توضح هذه النتائج أهمية التحكم في درجة الاضطراب وفهم التأثير على الحالات الإلكترونية في المواد.
وجد الباحثون أيضًا أن NaBiS 2 مستقر في الهواء طوال مدة الاختبار التي استمرت 11 شهرًا دون الحاجة إلى تغليف ، وهو ما يتناقض بشكل صارخ مع المواد الكهروضوئية الجديدة الأخرى، مثل بيروفسكايت هاليد الرصاص.
يشير هذا إلى متانة المواد في الأجهزة على المدى الطويل ، وهو مطلب رئيسي للخلايا الشمسية التجارية.
العديد من الفرص الجديدة
يتصور الباحثون أن هذه النتائج ستثير اهتمامًا أكبر بـ NaBiS 2 والمواد المماثلة، خاصة في فهم دور اضطراب الكاتيون، والتفاعلات بين الشحنات والشبكة البلورية.
علق الدكتور روبرت هوي، كبير المحاضرين في قسم المواد في إمبريال كوليدج لندن والمؤلف المقابل في الورقة، قائلاً: “هذه نتائج مثيرة للغاية تفتح آفاقًا جديدة لتحسين خصائص حصادات الطاقة الشمسية.
ينتمي NaBiS 2 إلى عائلة مواد مثيرة للاهتمام ، ونأمل أن توجه الأفكار الجديدة التي تم إنشاؤها في عملنا اكتشاف واختيار جيل جديد من المركبات الضوئية الفعالة والفعالة من حيث التكلفة “.
