طريقة جديدة لتعزيز كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت

تُعَد الطاقة الشمسية واحدة من أفضل الخيارات المتاحة للبشرية لمواجهة أزمة الطاقة الحالية وتغير المناخ.

ومع تحول الألواح الشمسية إلى حل جذاب للطاقة، سواء في الحقول المفتوحة أو على أسطح المنازل في المناطق الحضرية، يعمل العلماء بجد على تطوير تقنيات الطاقة الكهروضوئية الحالية وتحقيق آفاق جديدة في الاستدامة.

وفي حين يتم دراسة العديد من أنواع المواد الكهروضوئية، فإن البيروفسكايت بلا شك من بين أكثر المواد الواعدة نظرًا لإمكاناتها في الإنتاج منخفض التكلفة والكفاءة العالية.

على وجه الخصوص، تعمل بيروفسكايت هاليد القصدير (Sn-HPs) كبدائل قوية للبيروفسكايت القائم على الرصاص (Pb) عالي الأداء بشكل استثنائي.

ونظرًا لأن Sn أقل سمية للبيئة بشكل كبير من الرصاص، فإن البحث في Sn-HPs هو مسعى يستحق العناء.

لسوء الحظ، لا تزال الخلايا الشمسية البيروفسكايت (PSCs) المصنوعة من Sn-HPs تواجه العديد من التحديات التي يجب معالجتها.

على وجه التحديد، يؤدي التبلور السريع وغير المنظم أثناء الإنتاج إلى تكوين عيوب في البنية البلورية لطبقة البيروفسكايت، مما يعوق كفاءة التحويل، بالإضافة إلى ذلك، تعاني Sn-HPs من انخفاض الاستقرار والحساسية العالية للرطوبة والظروف المحيطة، مما يحد من العمر الإجمالي لـ PSCs المصنوعة منها.

ولكن الآن، ربما وجد فريق بحثي من كوريا حلاً أنيقًا وفعالًا لهذه المشكلات.

وقد نُشرت دراستهم مؤخرًا في Advanced Energy Materials ، وأشرف عليها الأستاذ المشارك دونج وون كانج من جامعة تشونج آنج.

وفي هذه الدراسة، كشف الفريق أن إدخال 4-فينيل ثيوسيميكاربازيد (4PTSC) كمادة مضافة أثناء إنتاج Sn-HPs يمكن أن يعزز أداء PSCs .

تنظيم عملية نمو البلورات بشكل فعال

من خلال التحليلات المكثفة والمقارنات التجريبية بين الخلايا الجذعية المكونة من القصدير والهرمونات العادية وتلك التي تحتوي على المادة المضافة المقترحة، استعرض الباحثون الوظائف المتعددة لـ 4PTSC كمادة مضافة.

كما يوضح كانج “لقد اخترنا عمدًا جزيئًا متعدد الوظائف يعمل كمعقد تنسيقي وعامل اختزال، ويمنع تكوين العيوب، ويحسن الاستقرار”، ولكن ماذا يعني هذا؟

نظرًا لأن 4PTSC يعمل كربيطة تنسيقية، فإنه يمكنه تنظيم عملية نمو البلورات بشكل فعال.

من ناحية أخرى، تعمل حلقة الفينيل المقترنة بـ π في جزيء 4PTSC على تعزيز اتجاه نمو البلورات المفضل، مما يقلل من تكوين العيوب. ومن المثير للاهتمام أن 4PTSC يعمل أيضًا على إبطال أي عيوب تتشكل من خلال التنسيق الكيميائي لـ 4PTSC وSnI 2 .

وبدوره، يعمل هذا على حماية سطح البيروفسكايت ويمنع أيونات Sn 2+ والهاليد غير المنسقة من المشاركة في التفاعلات غير المرغوبة، وعلاوة على ذلك، تعمل المواقع النووية المحبة لـ -NH 2 في 4PTSC على إعاقة أكسدة SnI 2 وهجرة الأيونات، مما يحسن استقرار PSCs.

إنتاج خلايا كهربية ذات أداء غير مسبوق

وبفضل هذه المادة المضافة القوية، تمكن الباحثون من إنتاج خلايا كهربية ذات أداء غير مسبوق.

ويؤكد كانج: “حققت الأجهزة المعدلة بخلايا كهربية ذات أربع ذرات كفاءة قصوى بلغت 12.22% مع جهد دائرة مفتوحة معزز يبلغ 0.94 فولت وأظهرت استقرارًا متفوقًا على المدى الطويل، حيث احتفظت بنحو 100% من كفاءة تحويل الطاقة الأولية، حتى بعد 500 ساعة وحوالي 80% بعد 1200 ساعة في ظروف محيطة دون أي تغليف، وهذا يختلف عن التدهور الملحوظ الذي لوحظ في أجهزة التحكم خلال أول 300 ساعة”.

جعل الطاقة أرخص

نظرًا لأن تصنيع ألواح الطاقة الشمسية عالية الضغط المصنوعة من القصدير غير مكلف نسبيًا وإظهار أداء جيد ومتانة كبيرة، فإن نتائج هذه الدراسة قد تمهد الطريق أمام ألواح شمسية أكثر سهولة في الوصول إليها وطويلة الأمد .

وفي المقابل، يمكن أن يساعد هذا في جعل الطاقة أرخص بالنسبة للسكان بشكل عام مع الالتزام بأهداف الاستدامة الحالية.

واختتم كانج قائلاً: “إن معالجة التحديات الرئيسية التي تواجه المضخات الكهرومائية المصنوعة من القصدير وتحسين أدائها بشكل كبير يتماشى مع هدفنا المتمثل في المساهمة في تطوير حلول فعالة ومستدامة للطاقة المتجددة، وبالتالي تطوير التقنيات الخضراء وتعزيز مستقبل مستدام”.