المصدر: sciencedaily
باحث في شركة جورجيا للتكنولوجيا يحمل خلية شمسية مبنية على بيروفسكايت ، وهي مرنة وأخف من النسخ المستندة إلى السيليكون.
الائتمان: روب فيلت ، جورجيا للتكنولوجيا
هناك الكثير لتحبه حول الخلايا الشمسية القائمة على perovskite. فهي بسيطة ورخيصة لإنتاج ، وتوفر المرونة التي يمكن أن تطلق مجموعة جديدة واسعة من أساليب التثبيت والأماكن ، وفي السنوات الأخيرة وصلت كفاءات الطاقة تقترب من تلك الخلايا التقليدية القائمة على السيليكون.
لكن اكتشاف كيفية إنتاج أجهزة طاقة تعتمد على البيروفسكايت تدوم أكثر من شهرين كان تحديًا.
وقد أبلغ باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن نتائج جديدة حول الخلايا الشمسية لكل من البيروفسكايت والتي يمكن أن تقود الطريق إلى أجهزة تعمل بشكل أفضل.
وقال خوان بابلو كوريا-باينا الاستاذ المساعد في كلية جورجيا للتكنولوجيا لعلوم وهندسة المواد "تقدم الخلايا الشمسية بيروفسكايت الكثير من المزايا المحتملة لانها خفيفة الوزن للغاية ويمكن تصنيعها من ركائز بلاستيكية مرنة." "حتى تكون قادرة على المنافسة في السوق مع الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون ، فإنها تحتاج إلى أن تكون أكثر كفاءة."
في دراسة نُشرت في 8 شباط / فبراير في مجلة ساينس العلمية وتمت رعايتها من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية ، وصف الباحثون بتفصيل أكبر آليات كيفية إضافة فلز قلوي إلى البيروفسكايت التقليدي يؤدي إلى أداء أفضل.
وقال ديفيد فينينج ، الأستاذ في جامعة نيوجيرسي في كاليفورنيا: "يمكن أن يغير البيروفسكايت اللعبة في الطاقة الشمسية". "لديهم القدرة على خفض التكاليف دون التخلي عن الأداء. ولكن لا يزال هناك الكثير لتعلمه بشكل أساسي حول هذه المواد".
لفهم بلورات بيروفسكايت ، من المفيد أن نفكر في تركيبه البلوري كثالوث. جزء واحد من الثالوث يتكون عادة من عنصر الرصاص. يتكون النموذج الثاني عادة من مكون عضوي مثل ميتيلامونيوم ، والثالث غالباً ما يتكون من هاليدات أخرى مثل البروم واليود.
في السنوات الأخيرة ، ركز الباحثون على اختبار الوصفات المختلفة لتحقيق كفاءات أفضل ، مثل إضافة اليود والبروم إلى المكون الرئيسي للهيكل. في وقت لاحق ، حاولوا استبدال السيزيوم والروبيديوم إلى جزء من البيروفسكايت الذي تشغله عادة الجزيئات العضوية.
وقال كوريّا باينا: "لقد عرفنا من العمل في وقت سابق أن إضافة السيزيوم والروبيديوم إلى بروم مختلط وقضيب اليود بيروفسكيت يؤدي إلى استقرار أفضل وأداء أعلى".
لكن لم يُعرف الكثير عن سبب إضافة تلك المعادن القلوية إلى تحسين أداء البيروفسكايت.
ولفهم السبب وراء ذلك ، استخدم الباحثون رسمًا عاليًا للأشعة السينية لفحص البيروفسكايت في المقياس النانوي.
وقال يانكي (جريس) لوه ، وهو طالب دكتوراه في جامعة سان فرانسيسكو في سان دييغو: "بالنظر إلى التركيبة داخل مادة البيروفسكايت ، يمكننا أن نرى كيف يلعب كل عنصر فردي دورًا في تحسين أداء الجهاز".
واكتشفوا أنه عندما تمت إضافة السيزيوم والروبيديوم إلى البروم المختلط والرصاص بيرودايت اليود المختلط ، أدى ذلك إلى اختلاط البروم واليود معًا بشكل أكثر تجانسًا ، مما أدى إلى زيادة كفاءة التحويل بنسبة تصل إلى 2 بالمائة مقارنة بالمواد التي لا تحتوي على هذه الإضافات.
"وجدنا أن التوحيد في الكيمياء والبنية هو ما يساعد الخلية الشمسية perovskite تعمل في أقصى إمكاناتها" ، وقال Fenning. "أي تباين في ذلك العمود الفقري يشبه حلقة ضعيفة في السلسلة."
وحتى مع ذلك ، لاحظ الباحثون أيضًا أنه في حين أن إضافة الروبيديوم أو السيزيوم قد تسبب في أن يصبح البروم واليود أكثر تجانسا ، فإن معادن الهاليد نفسها داخل الكاتيونات الخاصة بها ظلت مجمعة إلى حد ما ، مما خلق "مناطق ميتة" غير نشطة في الخلية الشمسية التي لا تنتج تيارًا.
وقال فينينج "كان هذا مفاجئا." "من شأن هذه المناطق الميتة أن تقتل عادة خلية شمسية. وفي مواد أخرى ، تتصرف مثل الثقوب السوداء التي تمتص الإلكترونات من مناطق أخرى ولا تسمح لهم أبداً بالرحيل ، وبذلك تفقد التيار والجهد.
وقال فينينج "لكن في هذه البيروفسكايت رأينا أن المناطق الميتة حول الروبيديوم والسيزيوم لم تكن تضر بأداء الخلايا الشمسية على الرغم من وجود بعض الخسائر الحالية." "هذا يدل على مدى قوة هذه المواد ولكن أيضا أن هناك المزيد من الفرص للتحسين."
وتضيف النتائج إلى فهم كيفية عمل الأجهزة المستندة إلى perovskite على المقياس النانوي ويمكن أن تضع الأساس للتحسينات المستقبلية.
"هذه المواد تعد بأن تكون فعالة للغاية وذات أداء عالي ، وهو إلى حد كبير ما نحتاج إليه للتأكد من انتشار الألواح الفولتية الضوئية على نطاق واسع" ، كما قال كوريا. "نريد أن نحاول تعويض قضايا تغير المناخ ، لذا فإن الفكرة هي أن تكون الخلايا الكهروضوئية رخيصة بقدر الإمكان."
