نجح باحثون في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا في ابتكار معالجة جزيئية تهدف إلى تحسين كفاءة ومتانة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت، وهو ما قد يسهل توسيع نطاق تقنيات الطاقة المتجددة على نطاق صناعي. ويصف مصطلح "البيروفسكايت" البنية البلورية لمعدن موجود بشكل طبيعي، ويمثّل البيروفسكايت المستعمل في الخلايا الشمسية بلورات اصطناعية تحاكي هذه البنية، ويمكن تصنيعها من العديد من المواد.
تُستخدم تقنيات الطاقة الكهروضوئية (PV)، التي تحول الضوء إلى كهرباء، بشكل متزايد على مستوى العالم لإنتاج الطاقة المتجددة. وقد طور باحثون في كلية الهندسة بجامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST) معالجة جزيئية تعمل على تحسين كفاءة وطول عمر الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت بشكل كبير. وتحمل هذه القفزة النوعية القدرة على تسريع الإنتاج على نطاق واسع لهذا المصدر النظيف للطاقة. نذكر أن خلايا البيروفسكايت الشمسية عبارة عن أجهزة ذات أغشية رقيقة مصنوعة من طبقات من المواد، إما مطبوعة أو مطلية بأحبار سائلة أو مرسبة بالفراغ.
كان مفتاح الحل هو نجاحهم في تحديد المعايير الحرجة التي تحدد أداء وعمر هاليد البيروفسكايت، وهي مادة كهروضوئية من الجيل التالي ظهرت كواحدة من أكثر المواد الواعدة في أجهزة الطاقة الكهروضوئية بسبب بنيتها البلورية الفريدة. وقد نُشرت النتائج في مجلة ساينس (science).
بقيادة الأستاذ المساعد لين ين هونغ من قسم الهندسة الإلكترونية والحاسوب ومختبر الدولة الرئيسي لتقنيات الشاشات المتقدمة والإلكترونيات الضوئية، قام فريق البحث بالتحقيق في طرق مختلفة للتخميد، وهي عملية كيميائية تقلل من عدد العيوب أو تخفف من تأثيرها على المواد، وبالتالي تعزز أداء وطول عمر الأجهزة المكونة من هذه المواد. ركزوا على عائلة الجزيئات "أمينو-سيلان" لتخميد الخلايا الشمسية المصنوعة بتقنية البيروفسكايت.
تحسين كفاءة الخلايا الشمسية
"لقد كان التخميد بأشكاله العديدة مهماً جداً في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت على مدار العقد الماضي. ومع ذلك، فإن طرق التخميد التي تؤدي إلى أعلى مستويات الكفاءة، غالباً لا تعمل على تحسين الاستقرار التشغيلي على المدى الطويل بشكل كبير"، كما أوضح البروفيسور لين المشكلة.
ولأول مرة، أظهر فريق البحث كيف يمكن لأنواع مختلفة من الأمينات (الأولية والثانوية والثالثية) ومجموعاتها تحسين أسطح أغشية البيروفسكايت حيث تتشكل العديد من العيوب. وقد حققوا ذلك باستخدام كل من طرق "خارج الموقع" (خارج بيئة التشغيل) و"داخل الموقع" (داخل بيئة التشغيل) لمراقبة تفاعلات الجزيئات مع البيروفسكايت. ومن هناك، حددوا الجزيئات التي تزيد بشكل كبير من العائد الكمي للتألق الضوئي (PLQY)، أي كمية الفوتونات المنبعثة أثناء إثارة المواد، الأمر الذي أشار إلى عيوب أقل وجودة أفضل.
وأوضح البروفيسور لين أن "هذا النهج ضروري لتطوير الخلايا الشمسية المترادفة، التي تجمع بين طبقات متعددة من المواد الضوئية ذات فجوات نطاقية مختلفة. ويعمل التصميم على تعظيم استخدام الطيف الشمسي من خلال امتصاص أجزاء مختلفة من ضوء الشمس في كل طبقة، ما أدى إلى زيادة الكفاءة الإجمالية".
صنع الفريق في عرضه للخلايا الشمسية أجهزة ذات أحجام متوسطة (0.25 سم²) وكبيرة (1 سم²). وحققت التجربة خسارة منخفضة في الجهد الكهروضوئي عبر مجموعة واسعة من فجوات النطاق، مع الحفاظ على تخريج جهد عالٍ. ووصلت هذه الأجهزة إلى جهد دائرة مفتوحة مرتفع يتجاوز 90% من الحد الديناميكي الحراري. وأظهرت المقارنة مع حوالي 1700 مجموعة من البيانات من الدراسات السابقة الموجودة أن نتيجتهم كانت من بين أفضل النتائج التي أبلغت عنها الأبحاث حتى الآن من حيث الكفاءة في تحويل الطاقة.
إثبات الاستقرار التشغيلي
الأمر الأكثر أهمية هو أن الدراسة أظهرت استقراراً تشغيلياً ملحوظاً للخلايا المثبطة للأمينو سيلان بموجب بروتوكول القمة الدولية للخلايا الشمسية العضوية (ISO)-L-3)، وهو إجراء اختبار موحد للخلايا الشمسية. بعد حوالي 1500 ساعة من عملية شيخوخة الخلية، ظلت كفاءة نقطة القدرة القصوى (MPP) وكفاءة تحويل الطاقة (PCE) عند مستويات عالية. لكي تنخفض أفضل الخلايا المثبطة إلى 95% من قيمها الأولية، تم تسجيل كفاءة MPP القصوى وكفاءة PCE القصوى عند 19.4% و 20.1% على التوالي - من بين أعلى وأطول المقاييس المبلغ عنها حتى الآن (عند حساب فجوة النطاق).
وأكد البروفيسور لين أن عملية المعالجة الخاصة بهم لا تعمل فقط على تعزيز كفاءة ومتانة الخلايا الشمسية البيروفسكايت، بل إنها متوافقة أيضاً مع الإنتاج على نطاق صناعي.
وقال "إن هذه المعالجة تشبه عملية تحضير HMDS (هيكساميثيلديسيلازان) وهي المادة المستخدمة على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات. يشير هذا التشابه إلى أنه يمكن دمج طريقتنا الجديدة بسهولة في عمليات التصنيع الحالية، الأمر الذي يجعلها قابلة للتطبيق تجارياً وجاهزة للتطبيق على نطاق واسع".
----