مقدمة لخلية بيروفسكايت الشمسية

المصدر: cei.washington.edu/

ما هو البيروفسكايت

البيروفسكايت عبارة عن مادة لها نفس التركيب البلوري مثل معدن أكسيد التيتانيوم والكالسيوم ، وهو أول بلورة بيروفسكايت تم اكتشافها. بشكل عام ، مركبات البيروفسكايت لها الصيغة الكيميائية ABX3، حيث يمثل الحرفان "أ" و "ب" الكاتيونات ويمثل X أنيونًا يرتبط بكليهما. يمكن دمج عدد كبير من العناصر المختلفة معًا لتشكيل هياكل بيروفسكايت. باستخدام هذه المرونة التركيبية ، يمكن للعلماء تصميم بلورات البيروفسكايت للحصول على مجموعة متنوعة من الخصائص الفيزيائية والضوئية والكهربائية. تم العثور على بلورات البيروفسكايت اليوم في أجهزة الموجات فوق الصوتية ، ورقائق الذاكرة ، والآن - الخلايا الشمسية.

Two types of atoms, arranged in a cubic pattern and a tetrahedral pattern, around a third type of central atom.

تخطيطي لهيكل بلوري بيروفسكايت. (ويكيميديا كومنز)

تطبيقات الطاقة النظيفة من البيروفسكايت

تعتمد جميع الخلايا الشمسية الكهروضوئية على أشباه الموصلات - المواد الموجودة في الأرض الوسطى بين العوازل الكهربائية مثل الزجاج والموصلات المعدنية مثل النحاس - لتحويل الطاقة من الضوء إلى كهرباء. يثير الضوء المنبعث من الشمس الإلكترونات في مادة أشباه الموصلات ، والتي تتدفق إلى أقطاب موصلة وتنتج تيارًا كهربائيًا.

كان السيليكون هو مادة أشباه الموصلات الأساسية المستخدمة في الخلايا الشمسية منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، حيث تتوافق خصائصه شبه الموصلة جيدًا مع طيف أشعة الشمس وهو متوفر نسبيًا ومستقر. ومع ذلك ، تتطلب بلورات السيليكون الكبيرة المستخدمة في الألواح الشمسية التقليدية عملية تصنيع باهظة الثمن ومتعددة الخطوات تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. في البحث عن بديل ، سخر العلماء قابلية ضبط البيروفسكايت لإنشاء أشباه موصلات لها خصائص مشابهة للسيليكون. يمكن تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية باستخدام تقنيات ترسيب مضافة بسيطة ، مثل الطباعة ، مقابل جزء بسيط من التكلفة والطاقة. بسبب المرونة التركيبية للبيروفسكايت ، يمكن أيضًا ضبطها لتتناسب بشكل مثالي مع طيف الشمس.

في عام 2012 ، اكتشف الباحثون لأول مرة كيفية صنع خلية شمسية من البيروفسكايت ذات غشاء رقيق ومستقرة ذات كفاءة تحويل ضوئي من الفوتون إلى الإلكترون تزيد عن 10٪ ، باستخدام بيروفسكايت هاليد الرصاص كطبقة ماصة للضوء. منذ ذلك الحين ، ارتفعت كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية لخلايا البيروفسكايت الشمسية ، حيث بلغ الرقم القياسي المخبري 25.2٪. يقوم الباحثون أيضًا بدمج خلايا البيروفسكايت الشمسية مع خلايا السيليكون الشمسية التقليدية - تبلغ الكفاءات القياسية لهذه الخلايا الترادفية "البيروفسكايت على السيليكون" حاليًا 29.1٪ (متجاوزة الرقم القياسي البالغ 27٪ لخلايا السيليكون التقليدية) وهي ترتفع بسرعة. مع هذا الارتفاع السريع في كفاءة الخلية ، قد تصبح خلايا البيروفسكايت الشمسية وخلايا بيروفسكايت الشمسية الترادفية قريبًا بدائل رخيصة وعالية الكفاءة لخلايا السيليكون الشمسية التقليدية.

A diagram of the layers that make up a perovskite solar cell: top contacts, hole (+ charge) extracting contact, perovskite semiconductor, electron (- charge) extracting contact, transparent conductive material such as FTO, glass.

مقطع عرضي لخلية بيروفسكايت الشمسية. (معهد الطاقة النظيفة)

ما هي بعض أهداف البحث الحالية؟

بينما يتم تسويق خلايا البيروفسكايت الشمسية ، بما في ذلك البيروفسكايت على ترادفات السيليكون ، من قبل عشرات الشركات في جميع أنحاء العالم ، لا تزال هناك تحديات علمية وهندسية أساسية يجب معالجتها والتي يمكن أن تحسن أدائها وموثوقيتها وقابليتها للتصنيع.

يواصل بعض باحثي البيروفسكايت دفع كفاءات التحويل من خلال توصيف العيوب في البيروفسكايت. في حين أن أشباه الموصلات البيروفسكايت تتحمل العيوب بشكل ملحوظ ، فإن العيوب لا تزال تؤثر سلبًا على الأداء - خاصة تلك التي تحدث على سطح الطبقة النشطة. يستكشف باحثون آخرون تركيبات كيميائية جديدة من البيروفسكايت ، لضبط خصائصها الإلكترونية لتطبيقات محددة (مثل مجموعات الخلايا الترادفية) ، أو تحسين استقرارها وعمرها.

يعمل الباحثون أيضًا على تصميمات خلايا جديدة ، واستراتيجيات تغليف جديدة لحماية البيروفسكايت من البيئة ، وفهم مسارات التحلل الأساسية حتى يتمكنوا من استخدام دراسات الشيخوخة المتسارعة للتنبؤ بكيفية بقاء خلايا البيروفسكايت الشمسية على أسطح المنازل. يستكشف آخرون بسرعة مجموعة متنوعة من عمليات التصنيع ، بما في ذلك كيفية تكييف "أحبار" البيروفسكايت مع أساليب الطباعة ذات الحلول واسعة النطاق. أخيرًا ، بينما يتم تصنيع أفضل أنواع البيروفسكايت حاليًا بكمية صغيرة من الرصاص ، فإن الباحثين يستكشفون أيضًا تركيبات بديلة واستراتيجيات تغليف جديدة ، من أجل تخفيف المخاوف المرتبطة بسمية الرصاص.

كيف تقوم CEI بتطوير البيروفسكايت؟

غالبًا ما تظهر بلورات البيروفسكايت عيوبًا في النطاق الذري يمكن أن تقلل من كفاءة تحويل الطاقة الشمسية. طور كبير العلماء وأستاذ الكيمياء في CEI David Ginger تقنيات "التخميل" ، حيث عالج البيروفسكايت بمركبات كيميائية مختلفة لشفاء هذه العيوب. ولكن عندما يتم تجميع بلورات البيروفسكايت في خلايا شمسية ، يمكن للأقطاب التي تجمع التيار الكهربائي أن تخلق عيوبًا إضافية. في عام 2019 ، تلقى Ginger والمتعاونون في Georgia Tech تمويلًا من مكتب تقنيات الطاقة الشمسية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (SETO) لتطوير استراتيجيات تخميل جديدة ومواد جديدة لجمع الشحنات ، مما يسمح للخلايا الشمسية من البيروفسكايت بالوصول إلى إمكانات كفاءتها الكاملة مع استمرار التوافق. مع تصنيع منخفض التكلفة.

يهدف أستاذ الكيمياء دانيال جاميلين وفريقه إلى تعديل خلايا السيليكون الشمسية بطبقات من البيروفسكايت لجمع فوتونات عالية الطاقة من الضوء الأزرق بكفاءة أكبر ، متجاوزًا الحد النظري لتحويل 33٪ لخلايا السيليكون التقليدية. طور Gamelin وفريقه نقاط بيروفسكايت الكمومية - وهي جزيئات صغيرة أصغر بآلاف المرات من شعرة الإنسان - يمكنها امتصاص فوتونات عالية الطاقة وتصدر ضعف عدد الفوتونات منخفضة الطاقة ، وهي عملية تسمى "القطع الكمي". يولد كل فوتون تمتصه خلية شمسية إلكترونًا واحدًا ، لذلك يمكن لطلاء نقطة الكم من البيروفسكايت أن يزيد بشكل كبير من كفاءة التحويل.

قام Gamelin وفريقه بتكوين شركة فرعية تسمى BlueDot Photonicsto لتسويق التكنولوجيا. بتمويل من SETO ، تقوم Gamelin و BlueDot بتطوير تقنيات الترسيب لإنشاء أغشية رقيقة من مواد البيروفسكايت للخلايا الشمسية ذات المساحة الكبيرة ولتعزيز خلايا السيليكون الشمسية التقليدية.

يستخدم أستاذ الهندسة الكيميائية هيو هيلهاوس خوارزميات التعلم الآلي للمساعدة في البحث عن البيروفسكايت. باستخدام اللمعان الضوئي الذي تم التقاطه بواسطة الفيديو عالي السرعة ، يقوم Hillhouse ومجموعته باختبار مجموعة متنوعة من البيروفسكايت الهجين لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل. تولد هذه التجارب مجموعات بيانات هائلة ، ولكن باستخدام التعلم الآلي ، تهدف إلى إنشاء نموذج تنبؤي للتدهور لخلايا البيروفسكايت الشمسية. يمكن أن يساعدهم هذا النموذج في تحسين التركيب الكيميائي وهيكل خلية شمسية من البيروفسكايت لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل - وهو عائق رئيسي أمام التسويق.

في TheWashington Clean Energy Testbeds ، مرفق معمل مفتوح الوصول تديره CEI ، يمكن للباحثين ورجال الأعمال استخدام أحدث المعدات لتطوير واختبار وتوسيع نطاق التقنيات مثل خلايا البيروفسكايت الشمسية. باستخدام طابعة الأسطوانة في أسطح الاختبار ، يمكن طباعة أحبار البيروفسكايت في درجات حرارة منخفضة على ركائز مرنة. المدير الفني للاختبار ي. Devin MacKenzie ، أستاذ علوم المواد&؛ الهندسة والهندسة الميكانيكية في UW ، هي خبير في المواد والتقنيات الخاصة بالتصنيع عالي الإنتاجية ومنخفض بصمة الكربون. أحد أكثر مشاريع مجموعته نشاطًا ، والذي تم تمويله أيضًا من قبل SETO ، هو تطوير أدوات في الموقع يمكنها قياس نمو بلورات البيروفسكايت حيث يتم ترسيبها بسرعة أثناء الطباعة باللفافة. بحثًا عن مواد وفيرة للأرض (JCDREAM) ، تستخدم مجموعة MacKenzie أيضًا طابعة عالية الدقة في العالم لتطوير أقطاب كهربائية جديدة لسحب التيار الكهربائي من خلايا بيروفسكايت الشمسية دون منع دخول ضوء الشمس إلى الخلية.

قام المدير الفني لفحوصات الطاقة النظيفة بواشنطن ، جيه ديفين ماكنزي ، باستعراض الطابعة متعددة المراحل التي تعمل باللفة إلى لفة في قاعات الاختبار للأجهزة الإلكترونية المرنة. (معهد الطاقة النظيفة)

الصناعة ذات الصلة

إرسال التحقيق