استراتيجية جديدة لتقليل عيوب خلايا بيروفسكايت الشمسية المقلوبة وتحسين أدائها

أثبتت البيروفسكايت ، وهي فئة من المواد ذات البنية البلورية المميزة ، أنها واعدة جدًا لتصنيع الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية.

أحد هذه المواد هو ثلاثي الرصاص (FAPbI 3 ) ، وهو بيروفسكايت يتميز بعمر ناقل طويل وقدرة عالية على الحركة الحاملة ، فضلاً عن امتصاص جيد للضوء والتوصيل الكهربائي.

قام الباحثون والمهندسون في مجال الطاقة أيضًا بتقييم إمكانات الخلايا الشمسية مع ما يسمى بالبنية “المقلوبة”، وهي أبسط من البنية التقليدية وأكثر تحملاً لعيوب الجهاز.

في حين أن تحملها للعيوب يمكن أن يجعل الخلايا الشمسية المقلوبة القائمة على FAPbI 3 أكثر استقرارًا من الخلايا الشمسية ذات البنية العادية، فإن كفاءات طاقتها حتى الآن كانت في الغالب أقل من الهدف المحدد وهو 25٪.

تحسين كفاءتها من الطاقة

قدم باحثون في جامعة Huazhong للعلوم والتكنولوجيا ومعاهد أخرى في الصين مؤخرًا استراتيجية تصميم يمكن أن تقلل من العيوب في الخلايا الشمسية القائمة على FAPbI 3 ، مما يحسن كفاءتها من الطاقة.

تتضمن هذه الإستراتيجية ، التي تم تقديمها في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature Energy ، تطبيق مادة مضافة وعامل طلاء لأغشية البيروفسكايت المدمجة في الخلايا الشمسية.

كتب روي تشين ، جينان وانج ، وزملاؤهم في كتابهم: “كفاءات تحويل الطاقة للخلايا الشمسية البيروفسكايت المقلوبة  القائمة على ميثيل أمونيوم وخالي من البروميد بيروفسكايت الرصاص ثلاثي اليوديد (FAPbI 3 ) لا تزال متخلفة عن PSCs بتكوين منتظم”،  “لقد قمنا بتحسين جودة كل من أغشية FA 0.98 Cs 0.02 PbI 3 perovskite الجزء الأكبر والأسطح لتقليل فجوة الكفاءة.”

تقليل العيوب

لتحسين أداء PSCs المقلوب بناءً على FAPbI 3 ، أضاف الباحثون مركبًا إلى المادة السائبة يمكن أن يقلل من العيوب الموجودة داخلها. هذا المركب ، المسمى dibutyl sulfoxide (DBSO) ، له قابلية منخفضة للتطاير ويتفاعل كيميائيًا مع بعض المواد ، مما يؤثر على خصائصها أو هيكلها.

أوضح تشين ووانج وزملاؤهم في ورقتهم: “أولاً ، نستخدم DBSO ، وهي مادة مضافة لقاعدة لويس ، لتحسين التبلور وتقليل كثافة الخلل والضغط الداخلي المتبقي لكتلة البيروفسكايت”. “بعد ذلك ، نقوم بمعالجة سطح فيلم البيروفسكايت باستخدام يوديد ثنائي إيثيل الأمونيوم المُعدَّل بالكربون ثلاثي الفلور (2CF 3 -PEAI) لتحسين مستويات الطاقة وإيقاف العيوب وحماية الفيلم من الرطوبة.”

طبق Chen و Wang وزملاؤهم استراتيجيتهم على فيلم FAPbI 3 ، والذي استخدموه بعد ذلك لإنشاء PSCs معكوسة. قاموا بتقييم هذه الخلايا الشمسية في سلسلة من الاختبارات ووجدوا أنها تؤدي أداءً جيدًا بشكل ملحوظ ، سواء من حيث الاستقرار أو كفاءة الطاقة .

كتب الفريق في ورقتهم البحثية: “تحقق PSCs المقلوبة في وقت واحد كفاءة 25.1٪ – 24.5٪ من فحص التيار العكسي والجهد الكهربي الذي تم قياسه من قبل مؤسسة طرف ثالث، وتحسين الاستقرار”، “حافظت الأجهزة على 97.4٪ و 98.2٪ من كفاءات تحويل الطاقة الأولية الخاصة بها بعد التشغيل في ظل إضاءة مستمرة لكتلة الهواء 1-شمس 1.5 جم لمدة 1800 ساعة وتحت ظروف حرارة رطبة (85 درجة مئوية و 85٪ رطوبة نسبية) لمدة 1000 ساعة ، على التوالي . ”

في المستقبل ، يمكن تكييف الاستراتيجية المقترحة من قبل Chen و Wang وزملاؤهم واستخدامها من قبل فرق البحث الأخرى لهندسة PSCs مقلوبة أكثر كفاءة واستقرارًا.

بينما قام الفريق على وجه التحديد بتطبيق مادة DBSO المضافة وطلاء 2CF 3 -PEAI على أفلام FAPbI 3 ، فمن المحتمل أن يساعد نهجهم أيضًا في تقليل العيوب، وتحسين أداء مواد البيروفسكايت الأخرى.