المصدر: oist.jp
ابتكر باحثون من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) وحدات شمسية من الجيل التالي بكفاءة عالية واستقرار جيد. مصنوعة باستخدام نوع من المواد تسمى البيروفسكايت ، يمكن لهذه الوحدات الشمسية الحفاظ على أداء عالٍ لأكثر من 2000 ساعة. النتائج التي توصلوا إليها ، التي تم الإبلاغ عنها في 20 يوليو 2020 في المجلة الرائدة ، Nature Energy ، سهلت آفاق التسويق.
البيروفسكايت لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تكنولوجيا الطاقة الشمسية. تتميز بالمرونة وخفة الوزن ، فهي تعد بتنوع أكثر من الخلايا الثقيلة والصلبة القائمة على السيليكون التي تهيمن حاليًا على السوق. ولكن يجب على العلماء التغلب على بعض العقبات الرئيسية قبل أن يتم تسويق البيروفسكايت.
قال البروفيسور يابينغ تشى ، رئيس المعهد ، "هناك ثلاثة شروط يجب أن تفي بها البيروفسكايت: يجب أن تكون رخيصة الثمن للإنتاج ، وذات كفاءة عالية ولها عمر طويل".وحدة مواد الطاقة وعلوم السطحالذي قاد هذه الدراسة.
مظاهرة لخلية بيروفسكايت الشمسية
تكلفة صنع خلايا البيروفسكايت الشمسية منخفضة ، حيث تتطلب المواد الخام الرخيصة طاقة قليلة للمعالجة. وفي أكثر من عقد بقليل ، قطع العلماء خطوات كبيرة في تحسين مدى فعالية خلايا البيروفسكايت الشمسية في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، مع مستويات كفاءة مماثلة الآن لمستويات الخلايا القائمة على السليكون.
ومع ذلك ، بمجرد توسيع نطاق الخلايا الشمسية الصغيرة إلى وحدات شمسية أكبر ، تنخفض مستويات كفاءة البيروفسكايت. وهذا يمثل مشكلة لأن تكنولوجيا الطاقة الشمسية التجارية تحتاج إلى أن تظل فعالة في حجم الألواح الشمسية ، بطول عدة أقدام.
"توسيع النطاق أمر صعب للغاية ؛ وأوضح الدكتور لويس أونو ، مؤلف مشارك في هذه الدراسة ، أن أي عيوب في المادة تصبح أكثر وضوحًا لذا تحتاج إلى مواد عالية الجودة وتقنيات تصنيع أفضل.
(على اليسار) تعمل وحدة مواد الطاقة وعلوم السطح OIST مع الخلايا الشمسية والوحدات ذات الأحجام المختلفة. (يمين) في هذه الدراسة ، عمل العلماء مع وحدات شمسية 5 سم × 5 سم.
عدم استقرار البيروفسكايت هو قضية رئيسية أخرى قيد التحقيق المكثف. تحتاج الخلايا الشمسية التجارية أن تكون قادرة على الصمود لسنوات من التشغيل ولكن الخلايا الشمسية البيروفسكيت تتحلل بسرعة.
بناء الطبقات
قام فريق البروفيسور تشي ، المدعوم من برنامج إثبات المفاهيم بمركز تطوير التكنولوجيا والابتكار في OIST ، بمعالجة قضايا الاستقرار والكفاءة هذه باستخدام نهج جديد. تتكون أجهزة البيروفسكايت الشمسية من طبقات متعددة - لكل منها وظيفة محددة. بدلاً من التركيز على طبقة واحدة فقط ، نظروا إلى الأداء العام للجهاز وكيف تتفاعل الطبقات مع بعضها البعض.
تقع طبقة البيروفسكايت النشطة ، التي تمتص ضوء الشمس ، في وسط الجهاز ، محصورة بين الطبقات الأخرى. عندما تضرب فوتونات الضوء طبقة البيروفسكايت ، تسخر الإلكترونات ذات الشحنة السالبة هذه الطاقة و "تقفز" إلى مستوى طاقة أعلى ، تاركة وراءها "ثقوب" مشحونة بإيجابية حيث كانت الإلكترونات. ثم يتم تحويل هذه الشحنات في اتجاهين متعاكسين إلى طبقات نقل الإلكترون والثقب أعلى وأسفل الطبقة النشطة. يؤدي هذا إلى تدفق الشحنة - أو الكهرباء - التي يمكن أن تترك الجهاز الشمسي عبر الأقطاب الكهربائية. يتم تغليف الجهاز أيضًا بطبقة واقية تقلل من التحلل وتمنع تسرب المواد الكيميائية السامة إلى البيئة.
تتكون خلايا ووحدات البيروفسكايت الشمسية من عدة طبقات ، لكل منها وظيفة محددة. أضاف العلماء أو عدلوا الطبقات المميزة باللون البرتقالي.
في الدراسة ، عمل العلماء مع وحدات الطاقة الشمسية التي كانت 22.4 سم 2.
قام العلماء أولاً بتحسين الواجهة بين طبقة البيروفسكايت النشطة وطبقة النقل الإلكتروني ، بإضافة مادة كيميائية تسمى EDTAK بين الطبقتين. ووجد الباحثون أن EDTAK منع طبقة النقل الإلكترونية لأكسيد القصدير من التفاعل مع الطبقة النشطة من البيروفسكايت ، مما يزيد من استقرار الوحدة الشمسية.
قام EDTAK أيضًا بتحسين كفاءة وحدة البيروفسكايت الشمسية بطريقتين مختلفتين. أولاً ، انتقل البوتاسيوم في EDTAK إلى طبقة البيروفسكايت النشطة و "شفاء" عيوب صغيرة على سطح البيروفسكايت. هذا منع هذه العيوب من حبس الإلكترونات والثقوب المتحركة ، مما سمح بتوليد المزيد من الكهرباء. زاد EDTAK أيضًا من الأداء من خلال تعزيز الخصائص الموصلة لطبقة النقل الإلكترونية بأكسيد القصدير ، مما يسهل جمع الإلكترونات من طبقة البيروفسكايت.
قام العلماء بإدخال تحسينات مماثلة على الواجهة بين طبقة البيروفسكايت النشطة وطبقة نقل الثقب. في هذه المرة ، أضافوا نوعًا من البيروفسكايت يسمى EAMA بين الطبقات ، مما عزز قدرة طبقة نقل الثقب على استقبال الثقوب.
كما أظهر الجهاز المعالج بـ EAMA استقرارًا أفضل تحت اختبارات الرطوبة ودرجة الحرارة. ويرجع ذلك إلى كيفية تفاعل EAMA مع سطح طبقة البيروفسكايت النشطة ، وهي عبارة عن فسيفساء من الحبوب البلورية. في الأجهزة الشمسية التي لا تحتوي على EAMA ، رأى العلماء أن الشقوق تشكلت على سطح الطبقة النشطة ، والتي نشأت من الحدود بين هذه الحبوب. عندما أضاف العلماء EAMA ، لاحظوا أن مادة البيروفسكايت الإضافية ملأت حدود الحبوب وأوقفت الرطوبة من الدخول ، مما منع هذه الشقوق من التكون.
قام الفريق أيضًا بتعديل طبقة نقل الثقب نفسها ، عن طريق خلط كمية صغيرة من البوليمر تسمى PH3T. عزز هذا البوليمر مقاومة الرطوبة من خلال تزويد الطبقة بخصائص مقاومة للماء.
كما حل البوليمر أيضًا قضية رئيسية أعاقت في السابق تحسينات الاستقرار على المدى الطويل. يتكون القطب أعلى الوحدة الشمسية البيروفسكايت من شرائط رقيقة من الذهب. ولكن بمرور الوقت ، تنتقل جزيئات الذهب الصغيرة من القطب ، من خلال طبقة نقل الحفرة إلى طبقة البيروفسكايت النشطة. هذا يضعف أداء الجهاز بشكل لا رجعة فيه.
عندما قام الباحثون بدمج PH3T ، وجدوا أن جزيئات الذهب انتقلت إلى الجهاز بشكل أبطأ مما زاد من عمر الوحدة بشكل ملحوظ.
لتحسينها النهائي ، أضاف العلماء طبقة رقيقة من البوليمر ، الباريلين ، بالإضافة إلى الزجاج ، لتوفير طلاء وقائي للوحدة الشمسية. مع هذه الحماية الإضافية ، حافظت الوحدات الشمسية على حوالي 86٪ من أدائها الأولي ، حتى بعد 2000 ساعة من الإضاءة المستمرة.
بالتعاون مع د. سعيد الكزاوي في المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) ، قام فريق OIST باختبار الوحدات الشمسية المحسنة وحصل على كفاءة بنسبة 16.6 ٪ - وهي كفاءة عالية جدًا لوحدة شمسية من هذا الحجم. يهدف الباحثون الآن إلى تنفيذ هذه التعديلات على وحدات الطاقة الشمسية الأكبر ، مما يؤدي إلى الطريق نحو تطوير تكنولوجيا شمسية تجارية واسعة النطاق في المستقبل.
