تُعتبر خلايا الطاقة الشمسية البيروفيسكايتية واحدة من أكثر التقنيات الواعدة في مجال الطاقة الكهروضوئية للجيل القادم، لما تتميز به من كفاءة عالية في تحويل الضوء إلى كهرباء ومرونة في تطبيقها على الأسطح المختلفة، ومع ذلك، فإن هذه الخلايا لم تصل بعد إلى مرحلة الاستقرار الكافي لتكون جاهزة للاستخدام التجاري على نطاق واسع.
أحد أهم العوامل التي تؤثر على استقرارها هو هجرة الأيونات داخل المادة شبه الموصلة، وهي عملية تؤدي إلى تدهور بنية المادة وتقليل كفاءتها التشغيلية مع مرور الوقت.
في دراسة حديثة، تعاون فريق بحثي من معهد هيلموتز لأبحاث الطاقة الشمسية (HZB) وجامعة بوتسدام الألمانية لدراسة كثافة الأيونات في أربعة مركبات بيروفيسكايت شائعة الاستخدام.
وقد أظهرت النتائج فروقاً كبيرة بين هذه المواد، حيث أظهرت خلايا البيروفيسكايت القائمة على القصدير المصنوعة باستخدام محلول بديل انخفاضًا كبيرًا في كثافة الأيونات المتحركة، بنسبة تقل بعشر مرات عن تلك الموجودة في خلايا البيروفيسكايت القائمة على الرصاص التقليدي.
هذا الاكتشاف يشير إلى أن القصدير يمكن أن يكون أساسًا لصناعة خلايا شمسية ليست صديقة للبيئة فحسب، بل ومستقرة على المدى الطويل أيضًا.
على مدار أكثر من عقد من الزمان، ركز العلماء على تطوير خلايا بيروفيسكايت تحتوي على الرصاص في موضع الكاتيون B في البنية البلورية ABX3، محققين قفزة هائلة في الكفاءة، من 4٪ في البدايات إلى أكثر من 27٪ حالياً، ومع ذلك، تظل هذه المواد تواجه تحديات كبيرة تتعلق بالسمية، بسبب الرصاص، وبالاستقرار طويل الأمد، بسبب الهجرة الأيونية وتدهور المادة.
القصدير كبديل صديق للبيئة
القصدير، كعنصر غير سام، يمكن أن يحل محل الرصاص في البنية البلورية، مما يفتح الباب أمام تطوير خلايا شمسية آمنة بيئيًا وأكثر استقرارًا.
وعلى الرغم من أن كفاءة خلايا القصدير الحالية أقل مقارنةً بالخلايا القائمة على الرصاص، إلا أن هذا يرجع بشكل رئيسي إلى قلة الدراسات والأبحاث على هذا النوع من البيروفيسكايت، بحسب ما يوضحه د.أرتيم موسيينكو، رئيس مجموعة البحث في HZB، “من الناحية النظرية، يمكن لخلايا البيروفيسكايت القائمة على القصدير أن تتفوق على الخلايا القائمة على الرصاص من حيث الكفاءة، إذا تم تطويرها بشكل صحيح.”
قياسات دقيقة للهجرة الأيونية
قام فريق موسيينكو، بالتعاون مع فريق أنطونيو أباتي في HZB وفريق فيليكس لانغ في جامعة بوتسدام، بقياس كثافة الأيونات وحركتها في أربع من أهم تركيبات البيروفيسكايت المستخدمة.
أظهرت النتائج أن خلايا القصدير لا تحتوي على الأيونات المتحركة بكثافة عالية فحسب، بل وتستغرق عملية تدهورها وقتاً أطول بخمس مرات مقارنة بخلايا الرصاص، مما يعكس استقرارًا داخليًا أكبر.
دور المحاليل البديلة في تحسين الاستقرار
تم إنتاج خلايا القصدير في مختبر Hysprint التابع لـ HZB، باستخدام محلول DMSO التقليدي أو محلول بديل DMF-DMI هذه الاستراتيجية تهدف إلى منع أكسدة القصدير، وهي مشكلة شائعة عند استخدام DMSO، كما أظهرت الدراسات السابقة.
وقد كانت النتائج مفاجئة: خلايا FASnI3 المصنوعة بالمحلول البديل أظهرت انخفاضًا في الأيونات المتحركة بمقدار عشر مرات مقارنة بخلايا Pb، واستقراراً ممتازاً أثناء التشغيل لأكثر من 600 ساعة متواصلة، ما يجعلها مرشحاً قوياً للخلايا الشمسية التجارية المستقبلية.
آفاق مستقبلية لتكنولوجيا القصدير
تؤكد الدراسة على إمكانيات بيروفيسكايت القصدير في توفير خلايا شمسية صديقة للبيئة ومستقرة، وتشير إلى أن المزيد من البحث قد يؤدي إلى تحسين الكفاءة لتتناسب أو تتجاوز كفاءة خلايا الرصاص الحالية.
هذه النتائج تمثل خطوة مهمة نحو تطوير خلايا شمسية رقيقة، مستقرة، وفعالة، مع تقليل مشكلة الهجرة الأيونية التي لطالما شكلت تحديًا أمام انتشار هذه التكنولوجيا.
الدراسة نشرت في دورية ACS Energy Letters (2025)، وهي تفتح الطريق أمام مزيد من التجارب لتطوير حلول مبتكرة تعتمد على المواد شبه الموصلة الصديقة للبيئة، وتقنيات المحاليل البديلة لضمان الأداء طويل الأمد.
