Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells
تُثبت هذه الدراسة أن بنية RAINBOW القابلة للتوسع لتقسيم الطيف، والتي تستخدم خلايا فرعية ثلاثية المزج لتحسين فجوات النطاق وتقليل تحديات التصنيع، يمكنها رفع كفاءة الخلايا الكهروضوئية العضوية من 12.9% في الأجهزة أحادية الوصلة إلى 17.3% في التكوينات ثلاثية الوصلات، مما يؤكد جدواها للخلايا الشمسية عالية الأداء والقابلة للتصنيع.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول جمع مياه الأمطار باستخدام دلو واحد عريض. إذا كان المطر خفيفاً، ستجمع القليل. وإذا كان هطولاً غزيراً، سيفيض دلوك وتفقد المياه الزائدة. هذا هو بالضبط ما تفعله الخلايا الشمسية التقليدية اليوم: فهي مصنوعة من مادة واحدة لا يمكنها إلا "اصطياد" الفوتونات (جسيمات الضوء) ذات طاقة محددة. إذا كان الضوء ضعيفاً جداً، تتجاهله المادة. وإذا كان قوياً جداً، تصطاده المادة ولكنها تهدر الطاقة الإضافية على شكل حرارة.
يحاول الباحثون في هذه الورقة البحثية بناء نظام "جمع أمطار" أفضل باستخدام تصميم جديد ذكي يسمى RAINBOW.
المشكلة في الطريقة القديمة (التكديس)
عادةً، ومن أجل اصطياد أنواع أكثر من الضوء، يقوم العلماء بتكديس خلايا شمسية مختلفة فوق بعضها البعض، مثل الشطيرة. الطبقة العلوية تصطاد الضوء الساطع عالي الطاقة، وتسمح للباقي بالمرور إلى الطبقة السفلية. لكن هذا الأمر صعب التنفيذ؛ فهو يشبه محاولة رص طبقات "البان كيك" الهشة فوق بعضها بدقة مثالية؛ فإذا لم تكن متراصة بشكل صحيح، سينهار الهيكل بأكمب أو يتوقف عن العمل. كما يجب أن تتطابق الطبقات تماماً في كمية الكهرباء التي تنتجها، وهو ما يمثل صداعاً للمصنعين.
الفكرة الجديدة: نهج RAINBOW
بدلاً من تكديس الخلايا رأسياً، قام الباحثون بوضعها جنباً إلى جنب، مثل البلاط على الأرضية. يستخدمون عنصراً بصرياً خاصاً (العنصر البصري) لتقسيم ضوء الشمس مثل المنشور، ليرسل ألواناً مختلفة من الضوء إلى بلاطات مختلفة.
- الضوء الأزرق يذهب إلى "البلاطة الزرقاء".
- الضوء الأخضر يذهب إلى "البلاطة الخضراء".
- الضوء الأحمر يذهب إلى "البلاطة الحمراء".
ولأنها موضوعة جنباً إلى جنب، فهي لا تحتاج إلى التراص المثالي، ولا تحتاج إلى تطابق إنتاجها الكهربائي بدقة. وهذا يجعل تصنيعها أسهل باستخدام أدوات واسعة النطاق وقابلة للتوسع مثل "الممسحة" (عملية تسمى الطلاء بالشفرة - blade coating).
القطعة المفقودة: الخليط "الثلاثي" (Ternary Blend)
وجد الفريق أنه بينما عملت البلاطات "الزرقاء" و"الخضراء" بشكل جيد، كانت "البلاطة الحمراء" (التي تصطاد الضوء ذو الطاقة الأقل، الأشعة تحت الحمراء البعيدة) تعاني. لقد كانت تشبه دلواً به ثقب في قاعه؛ يمكنه اصطياد الماء، لكنه يسرب الكثير من الطاقة.
ولإصلاح ذلك، لم يستخدموا مادة واحدة للبلاطة الحمراء فحسب، بل ابتكروا خليطاً ثلاثياً (Ternary Blend).
فكر في الخليط الثنائي كعصير مُحضّر من نوعين فقط من الفاكهة (المعطي والمستقبل). أما الخليط الثلاثي فيضيف مكوناً ثالثاً.
- أخذوا مادتهم الحمراء المتعثرة وخلطوا معها مكوناً ثالثاً.
- عمل هذا المكون الثالث بمثابة "جسر" أو "مساعد". فقد ساعد الكهرباء على التدفق بشكل أفضل ومنع تسرب الطاقة.
- تحديداً، قاموا بخلط مادة تسمى COTIC-4F (الصائد الرئيسي) مع BTP-eC9 (المساعد).
هذا الخليط الجديد المكون من ثلاثة أجزاء لم يكتفِ باصطياد نفس كمية الضوء فحسب، بل اصطادها بكفاءة أكبر، محولاً المزيد من تلك الطاقة إلى كهرباء.
النتائج: صيدٌ أفضل
اختبر الفريق هذه الفكرة بطريقتين:
- محاكاة الكمبيوتر: قاموا بنمذجة ما سيحدث إذا دمجوا هذه البلاطات معاً. ووجدوا أن نظام الـ 2-junction (الأزرق + الأحمر) يمكن أن يصل إلى كفاءة 16.4%، ونظام الـ 3-junction (الأزرق + الأخضر + الأحمر) يمكن أن يصل إلى 17.7%.
- الاختبارات الواقعية: قاموا بالفعل ببناء هذه الأجهزة جنباً إلى جنب باستخدام طريقة "الطلاء بالشفرة". وجاءت النتائج قريبة جداً من المحاكاة:
- جهاز الـ 2-junction: كفاءة 15.9%.
- جهاز الـ 3-junction: كفاءة 17.3%.
هذه قفزة كبيرة مقارنة بأجهزتهم ذات المادة الواحدة، والتي لم تتجاوز كفاءتها حوالي 12.9%.
النظرة المستقبلية
تخلص الورقة البحثية إلى أن تصميم "RAINBOW" هذا هو وسيلة واعدة للغاية وقابلة للتوسع لجعل الخلايا الشمسية العضوية أكثر كفاءة. ومع ذلك، فقد أشاروا إلى عقبة أخيرة: لرفع الكفاءة إلى مستويات أعلى، نحتاج إلى مواد جيدة حقاً في اصطياد الضوء الأزرق عالي الطاقة (فجوة النطاق العريضة). حالياً، لا تزال تلك المواد ليست بجودة المواد الحمراء والخضراء بعد.
باختصار: من خلال وضع الخلايا الشمسية جنباً إلى جنب بدلاً من تكديسها، ومن خلال خلط "مكون ثالث" في المادة التي تصطاد الضوء الأحمر لإصلاح تسريباتها، ابتكر الفريق تصميماً لخلية شمسية أسهل في التصنيع وتجمع طاقة أكبر بكثير من الشمس.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.