اقترح الباحثون طبقة نقل إلكترون مبتكرة ثنائية الطبقة من أكسيد القصدير (SnO2) تعزز الاتصال بين الواجهات، وتقلل من خسائر إعادة الدمج، وتحسن محاذاة الطاقة لحاملي الشحنات الإلكترونية.
مع تزايد الطلب على الطاقة المتجددة، يعمل العلماء على تطوير أنواع جديدة من الخلايا الشمسية تتميز بالكفاءة العالية وقابلية التوسع.
تعد الخلية الشمسية ذات الاتصالات الخلفية (BC-PSC) أحد هذه التصاميم المبتكرة، حيث تُعد بديلًا واعدًا للتصاميم التقليدية ذات الاتصالات الأمامية.
في الخلايا الشمسية التقليدية، توضع أقطاب الكهرباء ومواد نقل الشحنات على الجهة الأمامية للجهاز، وهي السطح المواجه للشمس، وبما أن الضوء القادم يجب أن يمر أولاً عبر هذه الطبقات قبل الوصول إلى مادة البيروفسكايت الفعالة، فإن جزءًا من الضوء يضيع حتمًا.
كيف تحسن التصاميم الخلفية الكفاءة
على النقيض من ذلك، تضع خلايا BC-PSC طبقة امتصاص البيروفسكايت في أعلى الجهاز لتتعرض مباشرة لأشعة الشمس، بينما توضع الأقطاب الخاصة بجمع الإلكترونات والفجوات في الخلف.
عند سقوط الضوء على طبقة البيروفسكايت، تتولد فجوات وإلكترونات، التي تنتقل لاحقًا إلى طبقات النقل الخاصة بها لإنتاج التيار الضوئي، هذا التصميم يقلل من الخسائر البصرية، ويعزز جمع الشحنات، ويحسن كفاءة تحويل الطاقة.
مع ذلك، يقدم هذا التصميم تحديات جديدة. فبما أن الشحنات يجب أن تنتقل لمسافات أطول، فهي أكثر عرضة لمواجهة العيوب بين الواجهات، مما يؤدي إلى خسائر إعادة الدمج. هذا يقلل من الكفاءة والاستقرار، ويحد من التطبيق العملي.
اختراق مع طبقة SnO2 مزدوجة لنقل الإلكترون
في اختراق علمي، طور فريق بحثي بقيادة د.مين كيم من قسم الهندسة الكيميائية، جامعة سول، ودوهون بايك، طالب دكتوراه في كلية الهندسة الكيميائية بجامعة جيونبوك الكورية، طبقة نقل إلكترون مبتكرة ثنائية الطبقة من أكسيد القصدير (SnO2) باستخدام طريقة الطلاء الدوراني البسيطة، والتي حسنت بشكل كبير كفاءة واستقرار خلايا BC-PSC.
نُشرت الدراسة في مجلة Journal of Power Sources ، ويشرح د. كيم: “اخترنا SnO2 كطبقة نقل الإلكترون بسبب توافقه الجيد مع شريط التوصيل في البيروفسكايت، وامتلاكه حركة إلكترونية أعلى مقارنة بأكسيد التيتانيوم التقليدي، ونتيجة لذلك، تعزز طبقتنا الثنائية الاتصال بين الواجهات، وتقلل من خسائر إعادة الدمج، وتحسن محاذاة الطاقة للشحنات الإلكترونية.”
مقارنة أداء الأجهزة والنتائج
لتقييم دور هندسة طبقة نقل الإلكترون، قام الباحثون بتصنيع ثلاث خلايا BC-PSC باستخدام طبقات SnO2 مختلفة، SnO2 كولودي من جزيئات نانوية، SnO2 بطريقة المذيب الجل (sol-gel)، و SnO2 ثنائية الطبقة مكونة من طبقة جزيئات نانوية مع طبقة sol-gel، تم طلاء كل طبقة على ركائز أكسيد القصدير المنديلي (ITO) ونقشها باستخدام تقنية الفوتوليثوغرافي.
أجريت سلسلة من التجارب لمقارنة أداء الأجهزة، أظهرت النتائج أن الجهاز ذو طبقة SnO2 المزدوجة حقق أعلى تيار ضوئي متوسط بقيمة 33.67 بيكو أمبير (pA)، متفوقًا على جهاز sol-gel عند 26.69 pA وجهاز colloidal SnO2 عند 14.65 pA علاوة على ذلك، سجل جهاز SnO2 ثنائي الطبقة أعلى كفاءة تحويل طاقة تصل إلى 4.52%، وتحسن الاستقرار التشغيلي بفضل تقليل خسائر إعادة الدمج.
يختتم بايك: “تمتلك خلايا BC-PSC إمكانات كبيرة لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك الأجهزة المرنة والوحدات الشمسية واسعة النطاق، نظرًا لكفاءتها العالية، واستقرارها المحسن، وتصميمها القابل للتوسع. نعتقد أن نتائجنا ستسهم في تسريع تطوير تقنيات BC-PSC العملية للتطبيقات الواقعية مع تعزيز حلول الطاقة المستدامة.”
