تُظهر عائلة البيروفسكايت، وهي مجموعة من المواد ذات الخصائص الكهربائية الفريدة، واعدة للاستخدام في مجالات متنوعة، بما في ذلك الخلايا الشمسية من الجيل التالي.
أنشأ فريق من العلماء بقيادة ولاية بنسلفانيا عملية جديدة لتصنيع أجهزة كبيرة من البيروفسكايت تكون أكثر فعالية من حيث التكلفة والوقت مما كان ممكنًا في السابق، والتي قالوا إنها قد تسرع اكتشاف المواد في المستقبل.
قال Luyao Zheng ، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علوم المواد في ولاية بنسلفانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “تتيح لنا هذه الطريقة التي طورناها إمكانية إنشاء عينات كبيرة جدًا بسهولة في غضون عدة دقائق، بدلاً من أيام أو أسابيع باستخدام الأساليب التقليدية”، “وموادنا ذات جودة عالية – خصائصها يمكن أن تنافس البيروفسكايت أحادي البلورة.”
صنع البيروفسكايت كيمياء رطبة
استخدم الباحثون طريقة تلبيد تسمى تقنية التلبيد بمساعدة المجال الكهربائي والميكانيكي (EM-FAST) لإنشاء الأجهزة، التلبيد هو عملية شائعة الاستخدام لضغط المساحيق الدقيقة إلى كتلة صلبة من المواد باستخدام الحرارة والضغط.
تتضمن العملية النموذجية لصنع البيروفسكايت كيمياء رطبة – يتم إسالة المواد في محلول مذيب ثم تصلب إلى أغشية رقيقة.
قال العلماء، إن هذه المواد لها خصائص ممتازة، لكن هذا الأسلوب مكلف وغير فعال لإنتاج بيروفسكايت كبير وقد تكون المذيبات المستخدمة سامة.
قال بيد بوديل، أستاذ باحث في ولاية بنسلفانيا ومؤلف مشارك: “أسلوبنا هو الأفضل في كلا العالمين”، “نحصل على خصائص شبيهة بلورة واحدة، ولا داعي للقلق بشأن قيود الحجم أو أي تلوث أو ناتج من المواد السامة.”
وأضاف، نظرًا لأنه يستخدم مواد جافة، فإن تقنية EM-FAST تفتح الباب لتشمل منشطات جديدة، ومكونات مضافة إلى خصائص الجهاز المخصصة، والتي لا تتوافق مع الكيمياء الرطبة المستخدمة في صناعة الأغشية الرقيقة، مما قد يؤدي إلى تسريع اكتشاف مواد جديدة.
تصميم وتطوير فئات جديدة من المواد
قال أمين نوزاريسبمارز، أستاذ الأبحاث المساعد في ولاية بنسلفانيا والمؤلف المشارك: “هذا يفتح إمكانيات تصميم وتطوير فئات جديدة من المواد، بما في ذلك أفضل المواد الكهروحرارية والشمسية، بالإضافة إلى أجهزة الكشف عن الأشعة السينية والأشعة السينية”، “بعض التطبيقات هي أشياء نعرفها بالفعل، ولكن نظرًا لأن هذه تقنية جديدة لصنع مواد هاليد بيروفسكايت جديدة بخصائص وهياكل وتركيبات مضبوطة، فربما يكون هناك متسع في المستقبل لتحقيق اختراقات جديدة من ذلك.”
بالإضافة إلى ذلك، تسمح العملية الجديدة للمواد ذات الطبقات – مسحوق واحد تحت الآخر – لإنشاء تركيبات المصمم، وقال العلماء إن المصنّعين قد يصممون في المستقبل أجهزة معينة ثم يطبعونها مباشرة من المساحيق الجافة.
قال كاي وانج، أستاذ أبحاث مساعد في ولاية بنسلفانيا ومؤلف مشارك: “نتوقع أن يفتح هذا البيروفسكايت السريع بعدًا آخر لتخليق المواد عالية الإنتاجية، والتصنيع المستقبلي لأجهزة الطباعة مباشرة من المسحوق وتسريع اكتشاف المواد لتركيبات البيروفسكايت الجديدة” .
يتضمن EM-FAST ، المعروف أيضًا باسم تلبيد شرارة البلازما، تطبيق تيار كهربائي وضغط على المساحيق لإنشاء مواد جديدة، العملية لها عائد 100٪ – تدخل جميع المكونات الخام في الجهاز النهائي، مقابل 20٪ إلى 30٪ في المعالجة القائمة على الحلول.
أنتجت هذه التقنية مواد بيروفسكايت بمعدل 0.2 بوصة في الدقيقة، مما يسمح للعلماء بإنشاء أجهزة كبيرة بسرعة تحافظ على الأداء العالي في الاختبارات المعملية، أبلغ الفريق عن النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Nature Communications .
لطالما استخدم العلماء ، لإنشاء أجهزة كهروحرارية، يمثل هذا العمل المحاولة الأولى لإنشاء مواد بيروفسكايت، وقال نوزارياسبارز: “بسبب الخلفية التي لدينا، كنا نتحدث ونعتقد أننا يمكن أن نغير بعض المعايير ونحاول ذلك مع البيروفسكايت”، “وقد فتحت للتو بابًا لعالم جديد، هذه الورقة هي رابط لهذا الباب – لمواد جديدة وخصائص جديدة.”
