تقنية جديدة تضبط تبلور البيروفسكايت وتحد من هجرة الأيونات في الخلايا الشمسية

طور باحثون صينيون استراتيجية تعتمد على مادة «الأزرق البروسي» (Prussian Blue – PB) لتنظيم عملية تبلور خلايا البيروفسكايت الشمسية والحد من هجرة الأيونات داخلها، في خطوة ساعدت على تحقيق كفاءة مرتفعة بدءًا من الخلايا صغيرة المساحة وصولًا إلى وحدات فرعية أكبر.

وحققت الاستراتيجية كفاءة تحويل طاقة بلغت 26.9% في الخلايا الشمسية صغيرة المساحة، بينما وصلت الكفاءة إلى 23.4% في وحدات مصغرة بمساحة 6 × 6 سنتيمترات، وسجلت كفاءة معتمدة بلغت 22.9% في وحدات بيروفسكايت فرعية بمساحة 30 × 30 سنتيمترًا.

ونُشرت الدراسة في مجلة Science، وركزت على واحدة من المشكلات الرئيسية التي تعوق تطوير خلايا البيروفسكايت الشمسية، وهي صعوبة التحكم في تكوين الأغشية الرقيقة والحفاظ على استقرارها عند الانتقال من الخلايا الصغيرة إلى الأجهزة ذات المساحات الأكبر.

تحديات التبلور وهجرة الأيونات

تجذب خلايا البيروفسكايت الشمسية اهتمامًا واسعًا باعتبارها من تقنيات الخلايا الكهروضوئية الواعدة، نظرًا لقدرتها على تحقيق كفاءات مرتفعة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

لكن أداء هذه الخلايا واستقرارها على المدى الطويل يتأثران بمشكلات تظهر أثناء تصنيعها وتشغيلها.

فعندما تتشكل طبقات البيروفسكايت الرقيقة، يمكن أن يؤدي عدم التحكم الجيد في عملية التبلور إلى ظهور عيوب في البنية البلورية وإجهادات داخلية في المادة.

ولا تتوقف المشكلة عند مرحلة التصنيع؛ فعند تشغيل الخلية، يمكن للأيونات أن تتحرك داخل مادة البيروفسكايت تحت تأثير الضوء والحرارة والمجالات الكهربائية، وهو ما يساهم في تدهور أداء الخلية ويجعل الحفاظ على الكفاءة العالية أكثر صعوبة، خصوصًا عند تصنيع أجهزة ذات مساحات كبيرة.

ولمعالجة هذه التحديات، طور الباحثون استراتيجية تستخدم «الأزرق البروسي» لضبط كل من عملية التبلور وحركة الأيونات داخل خلايا البيروفسكايت.

قالب متوافق مع الشبكة البلورية

قدم الباحثون إطارًا من «الأزرق البروسي» متوافقًا مع الشبكة البلورية للبيروفسكايت، واستخدموه كقالب بنيوي يساعد على تنظيم الطريقة التي تتكون بها البلورات داخل الأغشية الرقيقة.

ولتحديد الكيفية التي يعمل بها هذا الإطار، استعان الفريق بتقنيات متقدمة تعتمد على الأشعة السينية في منشأة بكين للإشعاع السنكروتروني (BSRF) التابعة لمعهد فيزياء الطاقة العالية بالأكاديمية الصينية للعلوم.

واستخدم الباحثون خطي الأشعة 1W1A و1W1B لإجراء قياسات مختلفة أثناء عملية تكوين الأغشية.

وفي خط 1W1A، استخدم الفريق تقنية حيود الأشعة السينية واسع الزاوية بزاوية السقوط الصغيرة في الموقع (GIWAXS)، لمراقبة ديناميكيات تكوين البلورات.

أما في خط 1W1B، فاستخدم الباحثون مطيافية البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية (XAFS)، بهدف دراسة الكيمياء المحلية للتنسيق الذري والتغيرات التي تحدث في البنية.

تبلور أكثر انتظامًا وتقليل الإجهاد

كشفت قياسات GIWAXS التي أجريت أثناء عملية التصنيع أن إطار «الأزرق البروسي» استطاع تنظيم مسار تبلور أغشية البيروفسكايت.

وبدلًا من حدوث عملية تبلور متجانسة وغير محكومة بصورة كبيرة، ساعد «الأزرق البروسي» على تحويلها إلى عملية تبلور غير متجانس أكثر انتظامًا.

كما حدت المادة من تكوين بعض الوسائط المذابة والمراحل غير النشطة ضوئيًا من نوع δ-FAPbI3، وساعدت في الوقت نفسه على الانتقال بصورة أكثر مباشرة نحو الطور النشط ضوئيًا α-FAPbI3.

وأدى التحكم في عملية التبلور إلى تعزيز نمو البلورات بصورة تفضيلية على طول الاتجاه (100)، كما ساهم بصورة كبيرة في تقليل إجهاد الشد داخل الشبكة البلورية لمادة البيروفسكايت.

وتعد هذه النتيجة مهمة لأن العيوب البنيوية والإجهادات المتبقية داخل الأغشية يمكن أن تؤثر في أداء الخلية واستقرارها أثناء التشغيل.

تثبيت الأيونات مع الحفاظ على بنية «الأزرق البروسي»

أظهرت تحليلات XAFS بدورها أن إطار «الأزرق البروسي» حافظ على سلامة بنيته أثناء عمليات إدخال الكاتيونات وتفاعلات الأكسدة والاختزال.

وحتى بعد إدخال أيونات Cs+ إلى القنوات الموجودة داخل شبكة «الأزرق البروسي»، خضعت أنواع Fe3+ للاختزال، لكن الإطار المكعبي المميز Fe–C≡N–Fe ظل سليمًا.

كما لم تسجل القياسات تغيرات تُذكر في مسافات التنسيق الأساسية داخل البنية.

وتشير هذه النتائج إلى قدرة «الأزرق البروسي» على استيعاب الكاتيونات المتحركة وتثبيتها، مع الحفاظ في الوقت نفسه على صلابة بنيته.

ويوفر ذلك أساسًا بنيويًا يمكن من خلاله مواصلة التحكم في تطور العيوب والحد من هجرة الأيونات أثناء تشغيل الخلية الشمسية.

الأشعة السنكروترونية تكشف ما يحدث داخل الخلية

كان لاستخدام تقنيات الأشعة السنكروترونية دور أساسي في كشف الآليات التي تقف وراء تأثير «الأزرق البروسي» في خلايا البيروفسكايت.

فعلى خط الأشعة 1W1A المخصص للتشتت المنتشر في منشأة BSRF، طور كبير المهندسين يو تشن وحسّن منصة مدمجة للقياسات في الموقع، أتاحت مراقبة عملية تكوين أغشية البيروفسكايت بصورة ديناميكية باستخدام GIWAXS.

وشملت المراقبة مراحل متعددة من عملية التصنيع، بدءًا من طلاء محلول المواد الأولية، مرورًا بمعالجة مضاد المذيب، وصولًا إلى التلدين الحراري في بيئة خاملة.

أما في خط الأشعة 1W1B المخصص لتقنية XAFS، فعمل الباحث المشارك بينغفي آن مع فريق البحث على تحسين قياسات XAFS والحصول على أطياف عالية الجودة عند حافة امتصاص الحديد Fe K-edge.

واستخدم الباحثون إلى جانب ذلك تحليلات بنية الحافة القريبة لامتصاص الأشعة السينية (XANES)، وعمليات ملاءمة بنية الامتداد الممتد لامتصاص الأشعة السينية (EXAFS)، وتحليل التحويل الموجي، من أجل توصيف البيئة المحلية للتنسيق الذري والتغيرات البنيوية في «الأزرق البروسي» بصورة منهجية.

خطوة نحو وحدات بيروفسكايت أكبر وأكثر استقرارًا

بحسب الباحثين، قدمت هذه القياسات المعتمدة على الأشعة السنكروترونية دليلًا تجريبيًا على الطريقة التي ينظم بها «الأزرق البروسي» تبلور البيروفسكايت وتطور العيوب وهجرة الأيونات.

وتكتسب النتائج أهمية خاصة في ظل التحدي الذي تواجهه خلايا البيروفسكايت عند الانتقال من تحقيق كفاءة مرتفعة في الخلايا صغيرة المساحة إلى الحفاظ على الأداء نفسه في الوحدات الأكبر.

وتشير النتائج التي وصلت إلى 26.9% في الخلايا الصغيرة، و23.4% في الوحدات المصغرة بمساحة 6 × 6 سنتيمترات، و22.9% كفاءة معتمدة في وحدات بمساحة 30 × 30 سنتيمترًا إلى إمكانية استخدام الاستراتيجية في نطاقات أكبر من تصنيع الخلايا.

وبذلك تقدم الدراسة نهجًا يجمع بين التحكم في عملية التبلور وتثبيت الأيونات داخل البيروفسكايت، مع الاستفادة من تقنيات التحليل السنكروتروني لفهم التغيرات البنيوية التي تحدث أثناء التصنيع والتشغيل، وهو ما قد يساعد في تطوير خلايا بيروفسكايت شمسية أكثر كفاءة واستقرارًا وقابلية للتوسع.