Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold
تكشف هذه الدراسة أن ثيوسيانات الأمونيوم تعزز أداء الخلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت (MAPbI₃) ليس من خلال تسهيل نقل الشحنة عبر الطبقات ثنائية الأبعاد، بل عبر التحكم الحركي في تكوين الطور شبه ثنائي الأبعاد لإنشاء سقالة متطابقة مع الشبكة البلورية تعمل كقالب هيكلي لتوجيه نمو بلورات البيروفسكايت ثلاثية الأبعاد عالية التنظيم.
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
تحمل الخلايا الشمسية المصنوعة من فئة من المواد تسمى "البيروفسكايت" وعوداً كبيرة لمستقبل الطاقة النظيفة. هذه المواد رخيصة الصنع ويمكن طباعتها على أسطح مرنة، لكنها تواجه عقبة كبيرة: فهي غالباً ما تكون غير مستقرة عند تعرضها للرطوبة والهواء. ولحل هذه المشكلة، طور العلماء نوعاً متطوراً يُعرف باسم "بيروفسكايت شبه ثنائي الأبعاد". تخيل شطيرة تتكون من طبقات من مادة عالية الكفاءة وامتصاص الضوء، تفصل بينها طبقات عضوية سميكة طاردة للماء. تعمل هذه الطبقات العضوية كحاجز واقٍ، مما يحمي الطبقات الداخلية من الرطوبة ويجعل الخلية الشمسية أكثر متانة. ومع ذلك، فإن هذه الحماية تأتي بتكلفة؛ إذ يمكن للطبقات العضوية السميكة أن تعيق تدفق الكهرباء، كما أن المادة غالباً ما تتشكل في مزيج فوضوي من سماكات الطبقات المختلفة، مما يحبس الطاقة ويقلل القدرة التي يمكن أن تولدها الخلية. لسنوات، كافح الباحثون لإيجاد طريقة للحفاظ على استقرار هذه الهياكل الطبقية دون التضحية بقدرتها على توصيل الكهرباء بكفاءة.
في دراسة حديثة، بحث فريق من الباحثين في مادة مضافة كيميائية شائعة تسمى "ثيوسيانات الأمونيوم"، والتي كانت تُستخدم لتحسين هذه الخلايا الشمسية ولكن وظيفتها الدقيقة ظلت لغزاً. كان الاعتقاد السائد هو أن هذه المادة المضافة تعمل عن طريق إجبار الطبقات العضوية الواقية على الوقوف بشكل عمودي، مثل مجموعة من الكتب المرصوصة على حوافها، مما يسمح للكهرباء بالتدفق بسهء أكبر عبر المادة. وضع الباحثون اختباراً لهذه الفكرة من خلال إنشاء أغشية رقيقة من مادة البيروفسكايت باستخدام نوعين مختلفين من الجزيئات العضوية، أحدهما يمتلك سلسلة أطول قليلاً من الآخر، ومراقبة كيفية تشكل المادة مع وبدون المادة المضافة. لقد راقبوا تشكل الأغشية في الوقت الفعلي، وقاسوا مدى امتصاصها للضو، واستخدموا أشعة سينية قوية لرؤية ترتيب الذرات داخل المادة.
لقد قلب اكتشافهم الفهم السابق رأساً على عقب. لم تعمل المادة المضافة ببساطة على إعادة توجيه الطبقات العضوية لتنتصب واقفة، بل عملت كدليل ساعد المادة على التشكل في هيكل بلوري ثلاثي الأبعاد عالي التنظيم منذ البداية. وجد الباحثون أن المادة المضافة أبطأت عملية التبلور، مما منح الذرات مزيداً من الوقت لترتيب نفسها في نمط مثالي بدلاً من الاندفاع نحو حالة فوضوية غير منظمة. وفي العينات التي استخدمت الجزيء العضوي ذو السلسلة الأطول، نجحت المادة المضافة في منع تشكل سمك طبقة محددة ومثيرة للمشاكل تعمل كحاجز أمام الكهرباء. لقد شجعت على نمو طبقات وسيطة تعمل كدعامة مؤقتة، مما سمح بنمو البلورة النهائية ثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة في اتجاه محاذٍ تماماً. نتج عن ذلك مادة ليست فقط أكثر استقراراً، بل وأفضل بكثير في نقل الكهرباء.
وُجد الدليل على هذه الآلية الجديدة في طريقة ترتيب الذرات. فباستخدام تشتت الأشعة السينية، رأى الفريق أن المادة المضافة تسببت في محاذاة المستويات البلورية ثلاثية الأبعاد بحيث يكون المستوى (110) موازياً للركيزة، وهو تكوين مثالي لاستخراج الطاقة. كانت هذه المحاذاة دقيقة للغاية لدرجة أنها تشبه أرضية مبلطة ببراعة بدلاً من كومة من الحطام. والأهم من ذلك، أن هذا التأثير حدث فقط عندما تفاعلت المادة المضافة مع الجزيء العضوي المحدد ذي السلسلة الأطول. فعندما استخدم الباحثون الجزيء ذي السلسلة الأقصر، فشلت المادة المضافة في وقف تشكل الطبقات الإشكالية، وظلت المادة غير منظمة. وقد أثبت هذا أن نجاح المادة المضافة اعتمد على تطابق كيميائي محدد بين المادة المضافة والجزيء العضوي، وليس مجرد تأثير عام على المادة.
كان تأثير هذا الاكتشاف ملموساً على الفور في أداء الخلايا الشمسية. فالأجهزة المصنوعة من الجزيء ذي السلسلة الأطول مع المادة المضافة أنتجت كهرباء أكثر بكثير من تلك التي صنعت بدونها. فقد ارتفع مقدار التيار الذي يمكنها توليده بشكل كبير، من حوالي 9.2 إلى 17.1 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، وقفزت الكفاءة الإجمالية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة من مستوى متواضع إلى رقم أكثر تنافسية. جاء هذا التحسن لأن الهيكل الجديد المنظم سمح للشحنات بالتحرك بحرية دون أن تتعثر عند حدود الحبيبات أو تُحجب بواسطة الطبقات الرقيقة غير المرغوب فيها. كما أكد الباحثون أن المادة المضافة لم تكتفِ بمجرد إصلاح العيوب في المادة الموجودة، بل غيرت بشكل جذري كيفية نمو المادة. فمن خلال تمديد النافذة الزمنية للذرات لتجد مواضعها الصحيحة، سمحت المادة المضافة بتشكل بلورة عالية الجودة كان من الصعب تحقيقها سابقاً في هذه الأنظمة المعقدة والمتعددة الطبقات.
يشير هذا العمل إلى أن مفتاح الحصول على خلايا شمسية أفضل لا يكمن فقط في إضافة مواد كيميائية لإصلاح المشكلات، بل في التحكم الدقيق في توقيت وظروف تشكل المادة. وتوضح الدراسة أنه من خلال إبطاء عملية التبلور واستخدام المزيج الصحيح من الجزيئات، يمكن للعلماء توجيه المادة لبناء نفسها في هيكل عالي الكفاءة. ورغم أن المادة المضافة لم تنجح مع كل نوع من أنواع الجزيئات العضوية المختبرة، فإن نجاحها مع نسخة السلسلة الأطول يوفر مخططاً واضحاً لتصميم الخلايا الشمسية المستقبلية. إنها تظهر أنه مع وجود الشركاء الكيميائيين المناسبين، من الممكن إنشاء مواد بيروفسكايت مستقرة ضد العوامل الجوية وفعالة في حصاد الطاقة في آن واحد، مما يقربنا من مستقبل تكون فيه الطاقة الشمسية موثوقة وبأسعار معقولة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.