اكتشاف علمي يعالج نقطة ضعف في الخلايا الشمسية ويعزز عمرها التشغيلي ويفتح الطريق أمام تسويقها تجاريا

باحثون يكشفون سببًا خفيًا لتدهور خلايا البيروفسكايت الشمسية ويطورون حلًا لإطالة عمرها

كشف فريق بحثي من جامعة هونج كونج للفنون التطبيقية عن سبب غير معروف سابقًا لتدهور أداء الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت عند تعرضها للضوء، كما طور الباحثون معالجة تستهدف هذا الخلل، وتساعد على إطالة العمر التشغيلي للخلايا، في خطوة مهمة نحو تعزيز فرص تسويق هذه التكنولوجيا على نطاق تجاري.

وأجرى الدراسة يانج جوانج، الأستاذ المساعد بقسم الهندسة الكهربائية والإلكترونية بالجامعة، بالتعاون مع فريق بحثي من جامعة تشجيانج الصينية، ونُشرت نتائجها في دورية «Watt».

كما أشاد البروفيسور نام جيو بارك، من جامعة سونج كيونكوان في كوريا الجنوبية، وأحد الرواد في مجال الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت، بأهمية البحث في تعليق علمي نُشر في الدورية نفسها.

وتُعد خلايا البيروفسكايت الشمسية من أبرز تقنيات الطاقة الشمسية الواعدة للجيل المقبل، نظرًا إلى كفاءتها المرتفعة وانخفاض تكلفتها وخفة وزنها وتعدد استخداماتها.

لكن أداء هذه الخلايا يتراجع تدريجيًا عند تعرضها لأشعة الشمس لفترات طويلة، وهي ظاهرة تُعرف باسم التحلل الضوئي، وتمثل أحد أبرز التحديات التي تعوق انتشارها التجاري، إذ تتطلب الألواح الشمسية القدرة على العمل بكفاءة واستقرار في الظروف الخارجية لسنوات طويلة.

فقدان غير متوازن للشحنات يسرّع تدهور الخلايا

تتكون الطبقة المسؤولة عن توليد الكهرباء داخل خلايا البيروفسكايت من أعداد هائلة من البلورات الدقيقة، المعروفة باسم الحبيبات البلورية، ولكل حبيبة سطح ذو اتجاه بلوري محدد يُعرف بالوجه البلوري.

وفي الخلايا التي تحتوي على أكثر من نوع من الأوجه البلورية، تتجاور حبيبات ذات اتجاهات مختلفة، ولكل وجه خصائصه التي تؤثر في حركة الشحنات الكهربائية وتكوّن العيوب داخل المادة، وكذلك في كيفية تعرضها للتدهور بمرور الوقت عند تسليط الضوء عليها.

وتُعرف المناطق التي تلتقي فيها الحبيبات البلورية باسم الحدود الحبيبية، وهي مناطق تؤثر خصائصها في أداء الخلية واستقرارها.

وعندما تمتص الخلية ضوء الشمس، تتولد شحنات كهربائية تتمثل في إلكترونات سالبة وثقوب موجبة، ومن المفترض أن تسهم هذه الشحنات في تكوين التيار الكهربائي.

لكن عندما تصادف الشحنات عيوبًا عند الحدود الحبيبية، قد تتعرض للاحتجاز أو تتحد مع شحنات معاكسة، فتفقد الطاقة الشمسية قدرتها على التحول إلى كهرباء، كما تتراكم التأثيرات الضارة تدريجيًا، ما يؤدي إلى تدهور أداء الخلية.

ووجد الباحثون، أن الخلايا التي تحتوي على أوجه بلورية مختلطة، وتحديدًا الوجهين البلوريين (100) و(111)، تشهد فقدانًا غير متوازن للشحنات على جانبي الحدود الفاصلة بين الحبيبات.

وأوضح التحليل أن الجانب المرتبط بالوجه البلوري (111) يحتوي على عدد أكبر من العيوب، يتمثل معظمها في شواغر بلورية، وهي مواقع فارغة كان من المفترض أن تشغلها أيونات الفورماميدينيوم (FA) داخل المادة.

ويؤدي وجود هذه الشواغر إلى تراكم غير طبيعي للثقوب الموجبة على هذا الجانب، ما يخلق ظروفًا تسرّع تدهور الحبيبات البلورية.

والمثير للاهتمام أن الوجه البلوري (111) يتمتع بطبيعته بمقاومة أكبر للتدهور الناتج عن التعرض للضوء، إلا أن تراكم الثقوب الموجبة يجعله يتدهور بصورة أسرع على نحو غير متوقع، ليتحول إلى أحد مصادر الشيخوخة داخل الخلية الشمسية.

وتكشف هذه النتيجة أن العمر التشغيلي للخلايا لا يعتمد فقط على درجة استقرار كل حبيبة بلورية بمفردها، بل يتأثر أيضًا بطبيعة التفاعلات والتأثيرات المتبادلة بين الحبيبات المتجاورة.

معالجة الحدود البلورية ترفع الكفاءة وتعزز الاستقرار

لمعالجة هذا الخلل، استخدم الفريق البحثي مركبًا كيميائيًا يحمل اسم «3-فلوروفينيل إيثيل أمونيوم بروميد» (m-F-PEABr)، إذ تتميز جزيئاته بحجم كبير يمنعها من الدخول إلى الحبيبات البلورية، ما يجعلها تتجمع بصورة طبيعية عند الحدود الفاصلة بينها.

ويعمل الطرف موجب الشحنة في جزيئات المركب على شغل المواقع الفارغة التي كان من المفترض أن تحتلها أيونات الفورماميدينيوم عند الحدود المرتبطة بالوجه البلوري (111)، بما يساعد على معالجة الشواغر وتقليل العيوب.

وفي الوقت نفسه، يسهم الجزء المحتوي على الفلور في تثبيت الجزيئات داخل هذه المناطق، ما يعزز استقرار المعالجة الكيميائية.

وبعد إصلاح الحدود البلورية، أصبح فقدان الشحنات على جانبيها أكثر توازنًا، وهو ما يقلل احتمالات تركّز عمليات التدهور في منطقة محددة داخل الخلية الشمسية.

وحققت الخلايا التي خضعت لهذه المعالجة كفاءة تحويل للطاقة بلغت 26.55%، كما احتفظت بأكثر من 90% من كفاءتها الأولية بعد أكثر من 2200 ساعة من التشغيل المستمر تحت إضاءة تعادل شدة ضوء الشمس.

ويُعرف هذا المقياس باسم العمر التشغيلي عند الاحتفاظ بنسبة 90% من الكفاءة الأولية (T90)، ويُستخدم مؤشرًا مهمًا لتقييم قدرة الخلايا الشمسية على الحفاظ على أدائها واستقرارها خلال فترات التشغيل الطويلة.

خطوة نحو تطوير خلايا شمسية أكثر استدامة تجاريًا

وقال يانج جوانج، إن خلايا البيروفسكايت الشمسية حققت بالفعل مستويات مرتفعة من الكفاءة، لكن الاستقرار لا يزال يمثل العقبة الأكبر أمام تسويقها تجاريًا.

وأضاف، أن معظم الأبحاث السابقة ركزت على تقليل عدد العيوب داخل المادة، بينما كشفت الدراسة الجديدة، للمرة الأولى، أن عدم التوازن في فقدان الشحنات بين الحبيبات البلورية المتجاورة يمثل أحد الأسباب الرئيسية لتدهور الخلايا أثناء التشغيل.

وأوضح أن تحقيق التوازن في فقدان الشحنات بين الحبيبات يمكن أن يحسن كفاءة الخلايا واستقرارها في الوقت نفسه، بما يقدم فهمًا جديدًا لآلية تدهورها، ويفتح مسارًا لتطوير خلايا بيروفسكايت شمسية أكثر متانة وقابلية للتطبيق التجاري.