خلايا شمسية من البيروفسكايت ثلاثية الوصلات بكفاءة قياسية.. التغلب على الكثير من القيود في السيليكون كمادة

قام فريق من الباحثين من جامعة تورنتو بإنشاء خلية شمسية بيروفسكايت ثلاثية الوصلات بكفاءة قياسية من خلال التغلب على قيود رئيسية من التصميمات السابقة.

يمثل النموذج الأولي تقدمًا كبيرًا في تطوير بدائل منخفضة التكلفة للخلايا الشمسية القائمة على السيليكون ، والتي تعد معيار الصناعة الحالي.

يقول البروفيسور تيد سارجنت ، الذي انضم مؤخرًا إلى قسم الكيمياء: “بالإضافة إلى تكلفة التصنيع المنخفضة ، توفر لنا البيروفسكايت القدرة على تكديس طبقات متعددة من المواد الممتصة للضوء فوق بعضها البعض ، وحتى فوق خلايا السيليكون التقليدية”.

وأضاف “في هذا العمل ، استخدمنا التصميم العقلاني لمواجهة التحدي الحاسم الذي يمكن أن ينشأ في هذا النموذج متعدد الطبقات ، وتحسين الكفاءة والمتانة”.

خلايا السليكون النقي

تُصنع الخلايا الشمسية اليوم من رقاقة واحدة من السيليكون فائق النقاء ، وهو إنتاج كثيف للطاقة.

على النقيض من ذلك، يتم تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية باستخدام أغشية بيروفسكايت متعددة الكريستالات مطلية على الأسطح بتقنيات معالجة منخفضة التكلفة ومحلول مماثلة لتلك المستخدمة في صناعة الطباعة.

كل طبقة لامتصاص أطوال موجية مختلفة من الضوء

من خلال تغيير تكوين بلورات البيروفسكايت داخل هذه الأغشية، يمكن “ضبط” كل طبقة لامتصاص أطوال موجية مختلفة من الضوء، مما يجعل الاستخدام الفعال للطيف الشمسي بأكمله. هذا غير ممكن مع السيليكون ، الذي يمتص دائمًا نفس الأطوال الموجية.

تعد مجموعة سارجنت من بين أولئك الذين يطورون طرقًا جديدة لإطلاق إمكانات خلايا البيروفسكايت الشمسية، اشتمل عملهم السابق على خلايا ترادفية ذات طبقتين، لكن دراستهم الأخيرة، التي نُشرت في مجلة Nature ، تركز على تصميم ثلاثي الطبقات.

يقول الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه Zaiwei Wang وهو واحد من أربعة مؤلفين مشاركين في الورقة الجديدة: “يتم تصميم الخلايا متعددة الطبقات عادةً بحيث تمتص الطبقة العليا ذات فجوة الحزمة العريضة الفوتونات الأكثر نشاطًا، مما يعني الضوء عالي التردد بأطوال موجية قصيرة، باتجاه الطرف البنفسجي من الطيف”.

وأضاف “الطبقة التالية سوف تمتص الأطوال الموجية المتوسطة والطبقة السفلية سوف تمتص أطوال موجية أطول، ولكن في الطبقة العليا نحن نواجه تحدي فصل الطور الناجم عن الضوء.”

فصل المراحل الأكثر ثراءً من البروم عن تلك الغنية باليود

استخدم الفريق نوعًا من مادة البيروفسكايت المعروفة باسم ABX3 ، وهي مصنوعة من مزيج من مواد مختلفة – بما في ذلك السيزيوم والرصاص والقصدير واليود والبروم، وبعض الجزيئات العضوية الصغيرة، تتكون الطبقة العليا، على وجه الخصوص ، من خليط بيروفسكايت هاليد ، والذي يحتوي على نسبة عالية من البروم واليود.

كما يقول هاو تشين، ما بعد الدكتوراه، الباحث والمؤلف المشارك للدراسة،”ما يحدث في الطور المستحث بالضوء لفصل هذه البيروفسكايت المختلط هو أن قصف الفوتونات عالية التردد يؤدي إلى فصل المراحل الأكثر ثراءً من البروم عن تلك الغنية باليود “،”وهذا يؤدي إلى زيادة في العيوب وانخفاض في الأداء العام.”

للتغلب على هذه المشكلة ، استخدم فريق البحث نماذج حاسوبية مفصلة لمحاكاة تأثير تغيير تكوين البلورات. اقترح هذا العمل تغييرين: إزالة الجزيئات العضوية لبنية بيروفسكايت غير عضوية بالكامل وإدخال عنصر الروبيديوم.

يقول تونج تشو ، باحث آخر في مرحلة ما بعد الدكتوراه ومؤلف رئيسي مشارك: “إن إدخال الروبيديوم يكبح مشكلة الفصل الطور الناجم عن الضوء”، “يُظهر البيروفسكايت غير العضوي المخلوط بالروبيديوم/ السيزيوم ثباتًا أفضل للضوء من مواد البيروفسكايت الأخرى، بما في ذلك البيروفسكايت غير العضوي القائم على السيزيوم والبيروفسكايت الهجين العضوي غير العضوي المستخدم على نطاق واسع مع فجوات نطاق مماثلة”.

خلية ثلاثية الوصلات

باستخدام هذه المعرفة، صمم الفريق وبنى خلية ثلاثية الوصلات بهذه التركيبة. قاموا بقياس كفاءته بنسبة 24.3 في المائة بجهد دائرة مفتوحة يبلغ 3.21 فولت.

كما أرسلوها أيضًا ليتم اعتمادها بشكل مستقل من قبل المختبر الوطني للطاقة المتجددة ، والذي قام بقياس كفاءة شبه ثابتة للدولة بنسبة 23.3 في المائة.

وقال لويي تسنج ، مؤلف مشارك آخر،”في الماضي ، أظهرت خلايا بيروفسكايت الشمسية ثلاثية الوصلات كفاءة قصوى تبلغ حوالي 20 في المائة ، لذلك يعد هذا تحسنًا كبيرًا. على حد علمنا ، يعد هذا أيضًا أول كفاءة تم الإبلاغ عنها لخلايا بيروفسكايت الشمسية ثلاثية الوصلات”، “تميل التصميمات السابقة أيضًا إلى فقدان الكثير من أدائها في غضون ساعات،على النقيض من ذلك ، حافظت تصميماتنا على 80 % من كفاءتها الأولية حتى بعد 420 ساعة من التشغيل – لذا فهذه خطوة كبيرة من حيث المتانة أيضًا.”

يقول الفريق، إنه على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحسينات في الأداء قبل أن تتمكن الخلايا الشمسية من البيروفسكايت من منافسة السيليكون في التطبيقات التجارية ، فإن الدراسة الأخيرة توضح مسارًا للمضي قدمًا.

يقول زينج: “تخبرنا النظرية أن البيروفسكايت لديه القدرة على التغلب على الكثير من القيود المتأصلة في السيليكون كمادة”.

“لكن الأمر لا يتعلق ببساطة بإزاحة أحدهما عن الآخر، قد تكون هناك بعض التطبيقات التي تناسب البيروفسكايت بشكل أفضل ، وبعضها يكون فيه السيليكون أفضل – أو يمكننا الجمع بينهما، هناك الكثير من الاحتمالات المثيرة في المستقبل.”