المصدر:news.northwestern.edu
تصف النتائج، التي نُشرت اليوم (17 نوفمبر) في مجلة Science، محلولًا ثنائي الجزيء للتغلب على الخسائر في الكفاءة أثناء تحويل ضوء الشمس إلى طاقة. من خلال الدمج أولاً، جزيءًا لمعالجة ما يسمى إعادة التركيب السطحي، حيث يتم فقدان الإلكترونات عندما تكون محاصرة بسبب العيوب - ذرات مفقودة على السطح، وجزيء ثانٍ لتعطيل إعادة التركيب عند السطح البيني بين الطبقات، حقق الفريق هدفًا وطنيًا للطاقة المتجددة. حصل مختبر الطاقة (NREL) على كفاءة معتمدة بنسبة 25.1% حيث وصلت الأساليب السابقة إلى كفاءة تبلغ 24.09% فقط.
وقال تيد سارجنت، أستاذ جامعة نورثويسترن: "إن تكنولوجيا الطاقة الشمسية البيروفسكايت تتحرك بسرعة، ويتحول التركيز على البحث والتطوير من امتصاص المواد السائبة إلى الواجهات البينية". "هذه هي النقطة الحاسمة لمواصلة تحسين الكفاءة والاستقرار وتقريبنا من هذا الطريق الواعد لحصاد الطاقة الشمسية الأكثر كفاءة من أي وقت مضى."
سارجنت هو المدير التنفيذي المشارك لمعهد Paula M. Trienens للاستدامة والطاقة (ISEN سابقًا) وباحث متعدد التخصصات في كيمياء المواد وأنظمة الطاقة، مع تعيينات في قسم الكيمياء في كلية واينبرغ للآداب والعلوم وجامعة واينبرغ. قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية ماكورميك للهندسة.
تصنع الخلايا الشمسية التقليدية من رقائق السيليكون عالية النقاء والتي تستهلك الكثير من الطاقة لإنتاجها ويمكنها فقط امتصاص نطاق ثابت من الطيف الشمسي.
مواد البيروفسكايت التي يمكن تعديل حجمها وتركيبها "لضبط" الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها، مما يجعلها تكنولوجيا ترادفية ناشئة مواتية ومن المحتمل أن تكون منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة.
تاريخيًا، واجهت خلايا البيروفسكايت الشمسية تحديات لتحسين الكفاءة بسبب عدم استقرارها النسبي. على مدى السنوات القليلة الماضية، أدت التطورات التي حققها مختبر سارجنت وآخرون إلى رفع كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية إلى نفس النطاق الذي يمكن تحقيقه باستخدام السيليكون.
في البحث الحالي، بدلاً من محاولة مساعدة الخلية على امتصاص المزيد من ضوء الشمس، ركز الفريق على مسألة الحفاظ على الإلكترونات المتولدة والاحتفاظ بها لزيادة الكفاءة. عندما تتصل طبقة البيروفسكايت بطبقة نقل الإلكترون في الخلية، تنتقل الإلكترونات من واحدة إلى أخرى. لكن يمكن للإلكترون أن يتحرك للخلف نحو الخارج ويملأ أو "يتحد" مع الثقوب الموجودة في طبقة البيروفسكايت.
قال المؤلف الأول تشنغ ليو، وهو طالب ما بعد الدكتوراه في مختبر سارجنت، والذي يشرف عليه أستاذ الكيمياء تشارلز إي وإيما إتش موريسون في الكيمياء ميركوري كاناتزيديس: "إن إعادة التركيب في الواجهة أمر معقد". "من الصعب جدًا استخدام نوع واحد من الجزيئات لمعالجة إعادة التركيب المعقد والاحتفاظ بالإلكترونات، لذلك فكرنا في مجموعة الجزيئات التي يمكننا استخدامها لحل المشكلة بشكل أكثر شمولاً."
وجدت الأبحاث السابقة التي أجراها فريق سارجنت دليلاً على أن جزيءًا واحدًا، وهو PDAI2، يقوم بعمل جيد في حل إعادة تركيب الواجهة. بعد ذلك، احتاجوا إلى العثور على جزيء يعمل على إصلاح العيوب السطحية ومنع الإلكترونات من إعادة الاتحاد معها.
ومن خلال العثور على الآلية التي من شأنها أن تسمح لـ PDAI2 بالعمل مع جزيء ثانوي، قام الفريق بتضييق نطاق البحث على الكبريت، الذي يمكن أن يحل محل مجموعات الكربون - التي عادةً ما تكون ضعيفة في منع الإلكترونات من الحركة - لتغطية الذرات المفقودة وقمع إعادة التركيب.
وقال ميركوري كاناتزيديس، أستاذ جامعة نورث وسترن: "في معالجة أوجه القصور الأساسية الموجودة في خلايا البيروفسكايت الشمسية المقلوبة، والتي ترجع في الغالب إلى خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعية، تم وضع معيار جديد في كفاءة الخلايا الشمسية". "هذا مثال رئيسي على كيف يمكن لمجال كيمياء المواد المتقدمة أن يعزز بشكل كبير كفاءة تحويل الطاقة وطول عمر تقنيات البيروفسكايت الكهروضوئية الناشئة."
يعتبر كاناتزيديس سلطة رائدة في مجال كيمياء المواد وحلول الطاقة المستدامة، مع تعيينات مزدوجة في قسم الكيمياء في واينبرغ وقسم علوم وهندسة المواد في ماكورميك.
وقال بن تشين، أستاذ مساعد باحث في الكيمياء ومؤلف مشارك في الورقة: "نحن متحمسون لأن استراتيجيتنا ثنائية الجزيئية تظهر قابلية التطبيق على مجموعة من تركيبات البيروفسكايت، بما في ذلك تلك الواعدة للخلايا الشمسية الترادفية".
وقد طورت ورقة بحثية حديثة نشرتها نفس المجموعة في مجلة Nature طلاءًا للركيزة أسفل طبقة البيروفسكايت لمساعدة الخلية على العمل عند درجة حرارة أعلى لفترة أطول. هذا الحل، وفقًا لليو، يمكن أن يعمل جنبًا إلى جنب مع النتائج الواردة في الورقة العلمية.
وبينما يأمل الفريق أن تشجع النتائج التي توصلوا إليها المجتمع العلمي الأكبر على مواصلة دفع العمل إلى الأمام، فإنهم أيضًا سيعملون على المتابعة.
وقال تشنغ: "علينا استخدام استراتيجية أكثر مرونة لحل مشكلة الواجهة المعقدة". "لا يمكننا استخدام نوع واحد فقط من الجزيئات، كما فعل الناس سابقًا. نحن نستخدم جزيئين لحل نوعين من إعادة التركيب، ولكننا على يقين من وجود أنواع أكثر من إعادة التركيب المرتبطة بالعيوب في الواجهة. نحن بحاجة إلى محاولة استخدام المزيد من الجزيئات تجتمع معًا وتتأكد من أن جميع الجزيئات تعمل معًا دون تدمير وظائف بعضها البعض."
