المصدر: news.mit.edu
يبشر البيروفسكايت بإنتاج ألواح شمسية يمكن ترسيبها بسهولة على معظم الأسطح ، بما في ذلك الأسطح المرنة والملموسة. ستكون هذه المواد أيضًا خفيفة الوزن ورخيصة الإنتاج وفعالة مثل المواد الكهروضوئية الرائدة اليوم ، والتي تتكون أساسًا من السيليكون. إنها موضوع بحث واستثمار متزايد ، لكن الشركات التي تتطلع إلى تسخير إمكاناتها يتعين عليها معالجة بعض العقبات المتبقية قبل أن تصبح الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت قادرة على المنافسة تجاريًا.
لا يشير مصطلح البيروفسكايت إلى مادة معينة ، مثل السيليكون أو تيلورايد الكادميوم ، أو المنافسين الرئيسيين الآخرين في عالم الخلايا الكهروضوئية ، ولكن يشير إلى عائلة كاملة من المركبات. تمت تسمية عائلة بيروفسكايت من المواد الشمسية بسبب تشابهها الهيكلي مع معدن يسمى بيروفسكايت ، والذي تم اكتشافه في عام 1839 وسمي على اسم عالم المعادن الروسي LA Perovski.
معدن البيروفسكايت الأصلي ، وهو أكسيد تيتانيوم الكالسيوم (CaTiO3) ، له تكوين بلوري مميز. يحتوي على هيكل من ثلاثة أجزاء ، تم تسمية مكوناته بـ A و B و X ، حيث يتم تشبيك شبكات المكونات المختلفة. تتكون عائلة البيروفسكايت من العديد من التوليفات الممكنة من العناصر أو الجزيئات التي يمكن أن تشغل كل مكون من المكونات الثلاثة وتشكل بنية مشابهة لتلك الموجودة في البيروفسكايت الأصلي نفسه. (حتى أن بعض الباحثين يغيرون القواعد قليلاً عن طريق تسمية الهياكل البلورية الأخرى التي تحتوي على عناصر مماثلة "بيروفسكايت" ، على الرغم من أن علماء البلورات يرفضون ذلك).
"يمكنك مزج ومطابقة الذرات والجزيئات في الهيكل ، مع بعض الحدود. على سبيل المثال ، إذا حاولت حشو جزيء كبير جدًا في الهيكل ، فسوف تقوم بتشويهه. وفي النهاية قد تتسبب في انفصال البلورة ثلاثية الأبعاد إلى يقول تونيو بوناسيسي ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومدير مختبر أبحاث الخلايا الكهروضوئية: "هيكل ثنائي الأبعاد ثنائي الأبعاد ، أو يفقد الهيكل المنظم تمامًا". يقول: "البيروفسكايت قابل للضبط بدرجة عالية ، مثل بناء هيكل بلوري من نوع المغامرة الخاصة بك".
يتكون هذا الهيكل من المشابك المتشابكة من أيونات أو جزيئات مشحونة ، اثنان منها (A و B) مشحونة إيجابًا والآخر (X) مشحون سالبًا. تكون الأيونات A و B ذات أحجام مختلفة تمامًا ، حيث يكون A أكبر.
ضمن الفئة الكلية للبيروفسكايت ، هناك عدد من الأنواع ، بما في ذلك بيروفسكايت أكسيد الفلز ، الذي وجد تطبيقات في التحفيز وتخزين الطاقة وتحويلها ، مثل خلايا الوقود والبطاريات المعدنية الهوائية. يقول بوناسيسي إن التركيز الرئيسي للنشاط البحثي لأكثر من عقد كان على هاليد بيروفسكايت الرصاص.
ضمن هذه الفئة ، لا يزال هناك عدد كبير من الاحتمالات ، والمختبرات في جميع أنحاء العالم تتسابق من خلال العمل الشاق لمحاولة العثور على الاختلافات التي تظهر أفضل أداء من حيث الكفاءة والتكلفة والمتانة - والتي كانت حتى الآن الأكثر تحديًا من الثلاثة.
ركزت العديد من الفرق أيضًا على الاختلافات التي تقضي على استخدام الرصاص لتجنب تأثيره على البيئة. ومع ذلك ، يشير بوناسيسي إلى أنه "بمرور الوقت ، تستمر الأجهزة القائمة على الرصاص في التحسن في أدائها ، ولم يقترب أي من التركيبات الأخرى من حيث الأداء الإلكتروني." يستمر العمل على استكشاف البدائل ، ولكن في الوقت الحالي لا يمكن لأي شخص منافسة إصدارات هاليد الرصاص.
يقول إن إحدى المزايا العظيمة التي يقدمها البيروفسكايت هو تحمله الكبير للعيوب في الهيكل. على عكس السيليكون ، الذي يتطلب درجة نقاء عالية للغاية للعمل بشكل جيد في الأجهزة الإلكترونية ، يمكن أن يعمل البيروفسكايت بشكل جيد حتى مع وجود العديد من العيوب والشوائب.
إن البحث عن تركيبات مرشح جديدة واعدة للبيروفسكايت يشبه إلى حد ما البحث عن إبرة في كومة قش ، لكن الباحثين مؤخرًا توصلوا إلى نظام للتعلم الآلي يمكنه تبسيط هذه العملية بشكل كبير. قد يؤدي هذا النهج الجديد إلى تطوير أسرع لبدائل جديدة ، كما يقول بوناسيسي ، الذي كان مؤلفًا مشاركًا لهذا البحث.
بينما تستمر البيروفسكايت في إظهار وعد كبير ، وتستعد العديد من الشركات بالفعل لبدء بعض الإنتاج التجاري ، تظل المتانة أكبر عقبة تواجهها. بينما تحتفظ الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون بما يصل إلى 90 في المائة من إنتاجها من الطاقة بعد 25 عامًا ، يتحلل البيروفسكايت بشكل أسرع. تم إحراز تقدم كبير - استمرت العينات الأولية بضع ساعات فقط ، ثم أسابيع أو شهور ، لكن الصيغ الأحدث لها عمر صالح للاستخدام يصل إلى بضع سنوات ، ومناسب لبعض التطبيقات حيث لا يكون طول العمر ضروريًا.
من منظور بحثي ، كما يقول بوناسيسي ، تتمثل إحدى مزايا البيروفسكايت في سهولة صنعها في المختبر نسبيًا - حيث تتجمع المكونات الكيميائية بسهولة. ولكن هذا أيضًا جانبهم السلبي: "المواد تتشابك بسهولة شديدة في درجة حرارة الغرفة ،" كما يقول ، "لكنها تتفكك أيضًا بسهولة شديدة في درجة حرارة الغرفة. تأتي بسهولة ، وتذهب بسهولة!"
للتعامل مع هذه المشكلة ، يركز معظم الباحثين على استخدام أنواع مختلفة من المواد الواقية لتغليف البيروفسكايت وحمايته من التعرض للهواء والرطوبة. لكن آخرين يدرسون الآليات الدقيقة التي تؤدي إلى هذا التدهور ، على أمل العثور على تركيبات أو علاجات أكثر قوة بطبيعتها. يتمثل أحد النتائج الرئيسية في أن عملية تسمى التحفيز الذاتي هي المسؤولة إلى حد كبير عن الانهيار.
في التحفيز الذاتي ، بمجرد أن يبدأ جزء من المادة في التدهور ، تعمل نواتج التفاعل كمحفزات لبدء تدهور الأجزاء المجاورة من الهيكل ، ويبدأ التفاعل الجامح. توجد مشكلة مماثلة في البحث المبكر على بعض المواد الإلكترونية الأخرى ، مثل الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) ، وتم حلها في النهاية عن طريق إضافة خطوات تنقية إضافية للمواد الخام ، لذلك يمكن العثور على حل مماثل في حالة بيروفسكايت ، يقترح بوناسيسي.
أكمل بوناسيسي وزملاؤه مؤخرًا دراسة تظهر أنه بمجرد وصول البيروفسكايت إلى عمر صالح للاستخدام لمدة عقد على الأقل ، وذلك بفضل تكلفتها الأولية الأقل بكثير والتي ستكون كافية لجعلها قابلة للحياة اقتصاديًا كبديل للسيليكون بشكل كبير ، فائدة- مزارع الطاقة الشمسية على نطاق واسع.
بشكل عام ، كان التقدم في تطوير البيروفسكايت مثيرًا للإعجاب ومشجعًا ، كما يقول. مع بضع سنوات فقط من العمل ، فقد حققت بالفعل كفاءات مماثلة للمستويات التي لا يزال يكافح من أجل تحقيقها الكادميوم تيلورايد (CdTe) ، "الذي ظل موجودًا لفترة أطول بكثير". "السهولة التي يتم بها الوصول إلى هذه العروض العالية في هذه المادة الجديدة تكاد تكون مذهلة". بمقارنة مقدار وقت البحث الذي تم قضاؤه لتحقيق تحسن بنسبة 1 في المائة في الكفاءة ، كما يقول ، كان التقدم في البيروفسكايت في مكان ما بين 100 و 1 ، 000 مرة أسرع من ذلك على CdTe. يقول: "هذا أحد الأسباب التي تجعله مثيرًا للغاية".