تساهم الخلايا الشمسية، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، في تقليل الانبعاثات الناتجة عن الوقود الأحفوري في العديد من دول العالم.
وفي السنوات الأخيرة، بدأ المهندسون في استكشاف مواد بديلة للسيليكون لتطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة ومتانة وبأسعار معقولة.
من بين هذه المواد الواعدة، البيروفسكايت الهاليدي، الذي يتميز ببنية بلورية من نوع ABX₃ ويحتوي على الهاليدات، وهي مركبات كيميائية تتكون من عنصر هالوجين مرتبط بمعدن أو أيون موجب.
تتميز خلايا البيروفسكايت بقدرتها العالية على امتصاص الضوء ونقل الشحنات الكهربائية، ما يؤدي إلى كفاءة تحويل طاقة مرتفعة، إلا أنها عادة أقل استقرارًا من الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، ما يجعل أداؤها يتدهور بسرعة مع الوقت.
قام باحثون من جامعتي بوردو وإيموري ومعاهد أخرى بابتكار طريقة جديدة لتعزيز استقرار خلايا البيروفسكايت الهاليدي.
وتعتمد هذه الاستراتيجية، التي نُشرت في مجلة Nature Energy، على استخدام أيونات سائلة مصممة خصيصًا، وهي أملاح تبقى سائلة عند درجات حرارة منخفضة وتتفاعل بقوة مع بعض المواد.
وقال ليتيان دو، المؤلف الرئيسي: “تتخصص مجموعتنا في التركيب العضوي، ونمو بلورات البيروفسكايت الهجينة، وهندسة الأجهزة.
جاء إلينا أحد الشركاء الصناعيين لابتكار إضافات جديدة لتحسين استقرار الأجهزة.
استلهمنا من الدراسات السابقة التي استخدمت أيونات سائلة بسيطة، وصممنا جزيئات مبتكرة لتعزيز التفاعل مع البيروفسكايت وتقليل العيوب.”
أداء يفوق المعايير المعتادة
عادةً ما تتكون خلايا البيروفسكايت الهاليدي من ثلاث طبقات، طبقة البيروفسكايت النشطة محاطة بطبقتي واجهة، وتقليل العيوب في كل من الطبقة النشطة والواجهات أمر بالغ الأهمية.
بينما ركزت الدراسات السابقة على تحسين الطبقة العلوية، قلة منها تناولت عيوب الطبقة السفلية أو العيوب الداخلية.
وكانت أكثر أيونات الفريق الواعدة تسمى MEM-MIM-CI، التي ترتبط بقوة بأيونات الرصاص الموجبة وتملأ الفراغات التي تفتقد إلى الهاليد، عند إضافتها إلى محاليل البيروفسكايت، تبطئ هذه الأيونات من عملية التبلور، وتشجع على نمو حبيبات أكبر وأقل عيوبًا، كما تتجمع بشكل مفضل عند الواجهة السفلية لتقليل تكون العيوب.
أظهرت الاختبارات تحت ظروف قاسية—درجات حرارة 90°م وإشعاع ضوئي كامل، (1-Sun)، أن الخلايا الشمسية المحسّنة بهذه الأيونات السائلة احتفظت بـ 90% من أدائها الأصلي لأكثر من 1500 ساعة، وهو أداء يفوق المعايير المعتادة في المجال.
المواد سهلة التحضير قابلة للتوسع الصناعي
تشير هذه النتائج إلى إمكانية استخدام أيونات سائلة مصممة بعناية لتحسين استقرار خلايا البيروفسكايت الهاليدي. المواد المستخدمة سهلة التحضير وقابلة للتوسع الصناعي، ومتوافقة مع طرق الترسيب القائمة على المحاليل مثل الطلاء بالشفرات.
كما تحسن هذه الأيونات الكفاءة والاستقرار في أنظمة البيروفسكايت واسعة النطاق والخالية من الرصاص، ما يشير إلى إمكانية استخدامها في خلايا شمسية متتالية (Tandem) .
ويخطط دو وزملاؤه لتصميم جزيئات أكثر فعالية ودراسة الآليات الأساسية لتفاعل الأيونات السائلة مع البيروفسكايت باستخدام تقنيات مطورة للطيف والتحليل الصوري، وهم منفتحون على التعاون مع الشركاء الصناعيين، مع توفر براءات الاختراع للتراخيص، بهدف تعزيز الاستخدام التجاري لخلايا البيروفسكايت المستقرة.
