تحليل علمي يكشف أسرار تدهور خلايا البيروفيسكايت تحت ظروف التشغيل

أظهرت دراسة نُشرت في مجلة Materials Futures رؤىً حاسمة حول آليات تدهور خلايا الطاقة الشمسية البيروفيسكايت واسعة النطاق، والتي تُعد عنصرًا أساسيًا لتقنيات الخلايا الشمسية التوأمية عالية الكفاءة في المستقبل.

تمكن فريق بحثي من imec وجامعتي Hasselt وGhent في بلجيكا من تحديد كيفية تأثير الإجهاد الحراري، سواء في الظلام أو تحت الإضاءة، على استقرار هذه الأجهزة الشمسية.

وأظهرت النتائج، أن الفشل في الظروف المظلمة يحدث بشكل رئيسي بسبب طبقات نقل الشحنة، بينما يرتبط الفشل تحت التعرض للضوء بتدهور مادة الممتص نفسها.

وباستخدام اختبارات الإجهاد المسرّع التي تحاكي المعايير الصناعية، تمكن الفريق من رسم مسارات الفشل الرئيسية، ما يتيح فهمًا أفضل لكيفية تعزيز الاستقرار على المدى الطويل.

خطوة كبيرة لتطوير تقنيات خلايا عالية الكفاءة

تعد هذه الدراسة خطوة كبيرة نحو تطوير تقنيات خلايا شمسية بيروفيسكايت عالية الكفاءة وصالحة للتطبيق التجاري، وهي خطوة أساسية لمستقبل توليد الطاقة المستدامة.

تحظى البيروفيسكايت واسعة النطاق الهجينة ذات القاعدة العضوية والرصاص والهلوجين باهتمام كبير بسبب خصائصها البصرية والكهربائية المميزة، ما يجعلها مناسبة للدمج كمادة ممتصة في الخلايا الشمسية التوأمية فائقة الكفاءة.

ومع ذلك، تواجه هذه المواد عادة مشاكل في الاستقرار عند التعرض للضوء ودرجات الحرارة المرتفعة، نتيجة آلية فصل الطور التي يحدث فيها انفصال بين أيونات البروميد واليوديد المكوّنة للبلورة، ما يؤدي إلى ضعف استقرار الطبقة.

وعلى الرغم من استكشاف عدة تقنيات للتغلب على هذه الظاهرة، إلا أن القليل من الدراسات أظهرت نجاحها على الأجهزة الكاملة تحت ظروف إجهاد مختلفة.

كما أن معظم الأجهزة في الدراسات السابقة صُنعت بتقنيات مخبرية غير قابلة للتوسع الصناعي مثل الطلاء الدوراني، مما يحد من قابليتها للتطبيق التجاري.

تحليلًا متوازيًا لتدهور خلايا البيروفيسكايت

في الدراسة الحالية، أجرى الفريق تحليلًا متوازيًا لتدهور خلايا البيروفيسكايت واسعة النطاق مقارنةً بالأجهزة الأكثر استقرارًا ذات النطاق الأضيق.

واستُخدمت منهجية قياسية مستمدة من بروتوكولات ISOS لاختبار الاستقرار، وتحديدًا ISOS-D2 وISOS-L2، مع استخدام مجموعة شاملة من أدوات التحليل الكهربائي لتحديد أسباب التدهور.

أظهرت النتائج أن أنماط التدهور تختلف حسب ظروف الإجهاد، مما يؤكد أن “استقرار البيروفيسكايت” ليس مفهومًا مطلقًا.
فالتدهور تحت ISOS-D2 (الإجهاد الحراري في الظلام) ينشأ بشكل رئيسي من مشاكل في طبقة الـ ETL، بينما التدهور تحت ISOS-L2 (الإجهاد الحراري تحت الضوء) يرتبط بتدهور شديد في طبقة الممتص نفسها.

وهذا يبرز دور الحرارة في عملية فصل الطور وتدهور المواد تحت ظروف التشغيل، وهو جانب تم تجاهله في العديد من الدراسات السابقة.

إجراء عدة خطوات مستقبلية

قبل تطبيق هذه المواد على نطاق صناعي، يتعين إجراء عدة خطوات مستقبلية، من بينها فهم أدق لمستوى التدهور النانوي تحت ظروف مختلفة، وتحسين استقرار البيروفيسكايت على مستوى المادة والخلية والوحدة.

كما يجب اختبار الأجهزة تحت نطاق أوسع من ظروف الإجهاد، بما قد يؤدي لاكتشاف أنماط تدهور جديدة، بالإضافة إلى نشرها في الاختبارات الميدانية الخارجية لتقييم الأداء الواقعي.

أخيرًا، من المهم وضع معايير صناعية واضحة للاستقرار بالتوازي مع اختبارات إجهاد مسرّعة موحدة قبل الوصول إلى مرحلة commercialization.

تمثل هذه الدراسة محطة أساسية لفهم مشكلات استقرار خلايا البيروفيسكايت واسعة النطاق وتمهّد الطريق نحو ظهور تقنيات خلايا شمسية فائقة الكفاءة في المستقبل.