تقنية جديدة لخلايا البيروفسكايت الشمسية بدون مذيبات تقترب من الإنتاج الصناعي
تصنيع خلايا شمسية عالية الأداء بتقنية الترسيب الفراغي يعزز استقرار وكفاءة الخلايا
في خطوة قد تعيد رسم خريطة تصنيع الطاقة الشمسية عالميًا، نجح باحثون من Hong Kong University of Science and Technology بالتعاون مع University of Oxford في تطوير تقنية جديدة لتصنيع خلايا شمسية من مادة “البيروفسكايت” دون استخدام المذيبات الكيميائية، ما يمثل تقدمًا مهمًا نحو الإنتاج التجاري واسع النطاق لتلك الخلايا عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة.
لماذا تمثل خلايا البيروفسكايت مستقبل الطاقة الشمسية؟
شهدت خلايا البيروفسكايت الشمسية خلال السنوات الأخيرة طفرة كبيرة في معدلات الكفاءة، ما جعلها واحدة من أبرز التقنيات الواعدة في مجال توليد الكهرباء من مصادر متجددة.
لكن رغم هذه القفزة، لا تزال معظم الخلايا الأعلى أداءً تُصنّع باستخدام محاليل كيميائية سائلة، وهو أسلوب يصعب تطبيقه على نطاق صناعي واسع بسبب تحديات تتعلق بالتجانس والاستقرار طويل الأمد.
في المقابل، تعتمد العديد من الصناعات التكنولوجية المتقدمة، مثل شاشات OLED والطلاءات البصرية، على تقنيات الترسيب الفراغي (Vacuum Deposition)، وهي عملية نظيفة وخالية من المذيبات تتيح طلاء مساحات كبيرة بدرجة عالية من التناسق.
غير أن تطبيق هذه الطريقة على مواد البيروفسكايت كان يواجه عقبة رئيسية: عند تصنيعها بالكامل داخل بيئة فراغية، تميل البلورات إلى التكوّن بشكل غير مثالي، ما يؤدي إلى زيادة العيوب البنيوية وتقليل الاستقرار تحت تأثير الضوء والحرارة.
اختراق علمي في التحكم بنمو البلورات
الفريق البحثي توصّل إلى وصفة تصنيع متعددة المصادر تعتمد على تقنية “التبخير المشترك الحراري”، حيث تم إدخال مركب كلوريد الرصاص (PbCl₂) كمصدر إضافي أثناء عملية الترسيب.
هذا التعديل البسيط مكّن العلماء من:
- توجيه نمو بلورات البيروفسكايت بدقة
- إنتاج بنية بلورية أكثر انتظامًا
- تقليل العيوب المجهرية داخل الطبقة النشطة
- تعزيز مقاومة الخلايا للتدهور الحراري والضوئي
النتيجة كانت الحصول على طبقة بيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة تبلغ (1.67 إلكترون فولت)، مع حبيبات بلورية مصطفّة في اتجاه (100)، وهو مؤشر على جودة بلورية عالية واستقرار تشغيلي محسّن.
كفاءة قياسية واختبارات متانة صارمة
باستخدام تقنية الترسيب الفراغي المطوّرة، حقق الباحثون:
- كفاءة تحويل طاقة بلغت 35% في خلايا أحادية الوصلة
- كفاءة مخبرية وصلت إلى 3%
- أداء بنسبة 5% في خلايا أكبر بمساحة 1 سم²
وعند إخضاع الخلايا لاختبارات الشيخوخة المتسارعة وفق بروتوكول ISOS-L-2 — والذي يتضمن تعريضها لإضاءة كاملة مكافئة للشمس عند درجة حرارة 75 مئوية — احتفظت الخلايا المغلّفة بنسبة 80% من كفاءتها الأصلية بعد 1080 ساعة من التشغيل المستمر.
رؤية أداء الخلايا أثناء التشغيل
استخدم الفريق تقنية تصوير طيفي فائق أثناء التشغيل (Operando Hyperspectral Imaging)، وهي بمثابة “كاميرا طيفية” تتيح تتبع الإشارات الضوئية داخل الخلية الشمسية أثناء عملها لحظة بلحظة.
وقد مكّنت هذه التقنية الباحثين من:
- رصد عمليات انفصال الهاليدات داخل المادة
- تحديد مواقع إعادة الاندماج غير المثالية للإلكترونات
- التمييز بين عمليات إعادة الاندماج المفيدة والضارة
- الربط المباشر بين الظواهر المجهرية والأداء الكلي للجهاز
- ما يوفر أداة تشخيصية قوية لتحسين تصميم الخلايا مستقبلًا.
دفعة قوية لتقنيات الخلايا الترادفية
تكتسب هذه التطورات أهمية خاصة في سياق الخلايا الشمسية الترادفية (Tandem Cells)، حيث يتم تكديس طبقة بيروفسكايت فوق خلية سيليكون لالتقاط نطاق أوسع من الطيف الشمسي.
وباستخدام الطبقات عالية الجودة التي تم تطويرها، نجح الفريق في:
- تحقيق طلاء متوافق مع خلايا سيليكون صناعية دقيقة النسيج
- إنتاج خلايا ترادفية بيروفسكايت-سيليكون بكفاءة 2%
وفي تجربة تشغيل ميدانية بإيطاليا، احتفظت هذه الخلايا بنحو 80% من أدائها الأولي بعد ثمانية أشهر من التشغيل في ظروف بيئية حقيقية.
من المختبر إلى خطوط الإنتاج
- الميزة الأهم لهذه الطريقة الجديدة أنها:
- لا تستخدم مذيبات كيميائية
- متوافقة مع البنية التحتية الصناعية الحالية
- قابلة للتطبيق في خطوط إنتاج الأغشية الرقيقة
ما يحوّل الترسيب الفراغي من خيار محدود إلى مرشح رئيسي لتصنيع خلايا بيروفسكايت مستقرة وعالية الأداء على نطاق تجاري، ويمهد الطريق للانتقال من النماذج المخبرية إلى الإنتاج الصناعي الفعلي.
