Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
من خلال الكشف عن آليات تحول الحالة الصلبة المتباينة في طبقات البيروفسكايت ذات فجوة النطاق العريضة والضيقة المتبخرة بالتتابع، تؤسس هذه الدراسة التحكم النوعي بفجوة النطاق كمبدأ تصميمي لتمكين أول خلية شمسية ترادفية من البيروفسكايت بالكامل والمبخرة بكفاءة تبلغ 19.2% واستقرار حراري معزز.
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
لطالما كانت الطاقة الشمسية محدودة بسقف جوهري: إذ لا يمكن لطبقة واحدة من المادة أن تلتقط سوى شريحة محددة من ضوء الشمس، مما يترك الباقي يمر عبرها أو يتحول إلى حرارة مهدورة. ولتجاوز هذا الحاجز، توجه العلماء نحو تكديم طبقتين مختلفتين فوق بعضهما البعض، مما يخلق خلية ترادفية (tandem cell) حيث تلتقط الطبقة العلوية الضوء عالي الطاقة بينما تلتقط الطبقة السفلية ما تبقى منه. والمادة الأكثر واعدية لهذه المهمة هي فئة من البلورات تسمى "البيروفسكايت"، والتي يمكن ضبطها لامتصاص ألوان مختلفة من الضوء. وبينما وصلت هذه الخلايا إلى مستويات كفاءة مثيرة للإعجاب في المختبر، إلا أنها تُصنع حالياً باستخدام مواد كيميائية سائلة. وتتضمن هذه الطريقة استخدام مذيبات سامة وخطوات معقدة يصعب توسيع نطاقها لتشمل ألواحاً كبيرة أو مرنة أو ذات حجم صناعي. والبديل الأكثر نظافة ودقة هو بناء هذه الطبقات من الصفر داخل فراغ، عن طريق تبخير المواد الصلبة حتى تشكل غشاءً، تماماً كما يتكون الصقيع على النافذة. ومع ذلك، بينما تنجح طريقة الفراغ هذه جيداً مع الطبقات البسيطة، فقد كافح العلماء لفهم كيفية صنع الطبقات المعقدة والمختلطة المواد اللازمة للخلايا الترادفية دون الاستعانة بالسوائل.
لقد حل فريق من الباحثين الآن هذا اللغز من خلال مراقبة كيفية تحول هذه الطبقات المترسبة في الفراغ إلى خلايا شمسية عاملة في الوقت الفعلي. واكتشفوا أن العملية ليست حدثاً واحداً متجانساً، بل هي مساران مختلفان تماماً يعتمدان على نوع المادة التي يتم تصنيعها. فعند إنشاء الطبقة العلوية، المصممة لامتصاص الضوء الأزرق والأخضر، تختلط المواد معاً بسرعة وبشكل متساوٍ قبل أن تتشكل البنية البلورية النهائية حتى. ووجد الباحثون أن لون الضوء الذي تمتصها هذه الطبقة يتحدد ببساطة من خلال كمية مكون معين يحتوي على البروم يتم إضافته، بغض النظر عن نسبة المكونات الأخرى. يعمل النظام مثل "حساء مخلوط جيداً" حيث يعتمد الطعم النهائي على الكمية الإجمالية لتوابل رئيسية، وليس على نسبة المكونات الأخرى.
وفي المقابل، تتبع الطبقة السفلية، المصممة لامتصاص الضوء الأحمر وتحت الأحمر باستخدام مزيج من القصدير والرصاص، مساراً أكثر فوضوية. فبمجرد إضافة المكون العضوي، يبدأ تفاعل عند الواجهة بين الطبقات، مما يؤدي إلى تشكيل قشرة صلبة تحجز المواد المتبقية تحتها. ويخلق هذا التكون المبكر حاجزاً يمنع المكونات من الاختلاط بشكل كامل. وبدلاً من المزيج المتجانس، تنتهي البلورة بتدرج رأسي، حيث تكون غنية بالرصاص في الأعلى وغنية بالقصدير في الأسفل. وأدرك الباحثون أن هذا الاختلاط غير المتساوي يحدث لأن الشبكة البلورية تتشكل وتتصلب بسرعة أكبر من قدرة ذرات المعادن على التبادل لإيجاد أماكنها المثالية. ويوضح هذا الفهم سبب عدم اتساق المحاولات السابقة لصنع هذه الخلايا؛ إذ كانت العملية تحاول فرض مزيج متجانس في نظام يقاوم ذلك طبيعياً.
وبناءً على هذا الفهم لكيفية سلوك المواد، قام الفريق بتحسين عمليات التسخين والتوقيت لكل طبقة على حدة. وقد نجحوا في إنشاء خلية شمسية ترادفية كاملة حيث تم تشكيل كل من الطبقة العلوية والسفلية بالكامل من خلال هذه الطريقة الجافة القائمة على الفراغ، دون قطرة واحدة من المذيب السائل. وحولت هذه الأداة ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة بلغت 19.2 بالمائة، وهو ما يعد علامة فارقة مهمة لهذه التقنية التصنيعية المحددة. علاوة على ذلك، أثبتت الخلايا متانة ملحو-ظوظة؛ فعند تخزينها في بيئة دافئة لمدة 1,200 ساعة، احتفظت بنسبة 80 بالمائة من أدائها الأولي. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال تطويع عملية التصنيع لتناسب السلوك الفيزيائي المحدد لكل طبقة، يمكن بناء خلايا شمسية عالية الجودة وخالية من المذيبات، تكون جاهزة للجيل القادم من الطاقة الشمسية المرنة وواسعة النطاق.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.