Pr3+-Doped SnO2 Electron Transport Layers for 23-Fold Indoor PCE Recovery in Flexible CsPbBr3 Perovskite Solar Cells

تخيل عالماً لا تحتاج فيه أجهزتك إلى التوصيل بمقبس الحائط أو استبدال بطارياتها كل بضعة أشهر. بدلاً من ذلك، يمكنها أن تعمل للأبد، مستمدة طاقتها من الوهج الناعم والمستمر للأضواء في غرفتك. هذا هو حلم "إنترنت الأشياء" (IoT) — كون من المستشعرات الذكية والصغيرة التي تتحدث مع بعضها البعض. ولكن هناك عقبة: هذه المستشعرات تحتاج إلى طاقة، وتغيير البطاريات الصغيرة أمر مزعج. لقد بحث العلماء عن طريقة لحصاد الطاقة من الضوء الداخلي، لكنها مهمة صعبة. ضوء الشمس هو نهر هادر من الطاقة، أما الضوء الداخلي فهو أشبه بجدول ضئيل وهادئ. وللإمساك بهذا الجدول، أنت بحاجة إلى نوع خاص جداً من الخلايا الشمسية.

معظم الخلايا الشمسية مصمة لالتقاط الطيف الواسع والقوي للشمس. وعندما تضعها تحت مصباح LED خافت، فإنها تتعثر وتفشل لأنها "تسرب" الكثير. فكر في الخلية الشمسية مثل دلو يحاول التقاط المطر. إذا كان في الدلو ثقب في قاعه (أو ما يسمى "المقاومة المتوازية" أو التسريب)، فقد يمتلئ الدلو رغم وجود الثقب إذا كان المطر غزيراً. ولكن إذا كان المطر مجرد قطرات قليلة، فإن هذا الثقب سيسمح لكل قطرة بالهروب قبل أن يمتلئ الدلو. ولكي تعمل الخلايا الشمسية الداخلية، يجب أن تكون دلاءً محكمة الإغلاق تماماً بلا تسريبات، ويجب ضبطها لالتقاط الألوان المحددة التي تنبعث من المصابيح الداخلية. وهنا يأتي دور دراسة جديدة، تحاول سد تلك الثقوب وضبط الدلو ليتناسب مع العالم الداخلي.

قرر الباحثون وراء هذه الدراسة، بقيادة محمد قديم مير وعظيم بنت عمر من جامعة مالايا، اختبار فكرة جديدة باستخدام خلية شمسية مرنة مصنوعة من مادة تسمى "سيزيوم رصاص بروميد" (CsPbBr3) البيروفسكايت. هذه المادة تشبه الإسفنجة التي تم تصميم حجمها بدقة لامتصاص الضوء الأزرق والأخضر من مصابيح LED الداخلية، وهو بالضبط ما نحتاجه. ومع ذلك، حتى الإسفنجة الجيدة قد تعاني من التسريبات إذا كانت الطبقة التي تساعد على نقل الكهرباء (المسماة طبقة نقل الإلكترونات، أو ETL) مليئة بالعيوب. في هذه الحالة، تتكون طبقة ETL من مادة أكسيد القصدير (SnO2).

قام الفريق بمحاكاة سيناريو حيث قاموا بـ "تطعيم" طبقة أكسيد القصدير هذه بكمية ضئيلة من عنصر أرضي نادر يسمى "براسيوديميوم" (Pr3+). يمكنك التفكير في التطعيم كإضافة مكون سري إلى وصفة لإصلاح عيب ما. في هذه الحالة، يعمل البراسيوديميوم مثل طقم إصلاح مجهري. عادة ما تحتوي طبقة أكسيد القصدير على ثقوب صغيرة أو "فراغات أكسجين" تسمح للكهرباء بالتسرب. أيونات البراسيوديميوم، التي يمكنها التبدل بين حالات كهربائية مختلفة، تتدخل لتملأ هذه الثقوب، مما يؤدي فعلياً إلى إغلاق الدلو بإحكام.

نتائج محاكاتهم الحاسوبية مثيرة للغاية. فعندما اختبروا خليتهم الشمسية "المُصلحة" تحت ضوء الشمس الساطع والمعياري، كان أداؤها جيداً، حيث ارتفعت كفاءتها من 5.68% إلى 8.16%. لكن السحر الحقيقي حدث في الداخل. ففي ظل ضوء LED بمعيار 1000 لوكس (سطوع المكتب المعتاد)، كانت الخلية الشمسية غير المطعمة والمتسربة عديمة الفائدة تقريباً، حيث أنتجت كفاءة ضئيلة بلغت 0.461% فقط. لقد كانت مسربة لدرجة أن معظم الطاقة كانت تهرب قبل استخدامها. ومع ذلك، كانت النسخة المطعمة بالبراسيوديميوم قصة أخرى؛ فمن خلال سد التسريبات، ارتفعت الكفاءة بشكل صاروخي لتصل إلى 10.72%. هذا يمثل استعادة للأداء بمقدار 23 ضعفاً. وجد الباحثون أن المفتاح لم يكن فقط جعل الخلية تولد المزيد من الكهرباء، بل منعها من فقدان ما تولده بالفعل. لقد زادت "المقاومة المتوازية" (وهي مقياس لمدى إحكام إغلاق الدلو) بمقدار 100 مرة، محولةً الدلو المسرب إلى دلو محكم الإغلاق.

استخدم الفريق أيضاً نموذجاً رياضياً متطوراً لإثبات منطقية نتائجهم. لقد تحققوا من عملهم باستخدام تقنية تسمى "مطيافية الممانعة"، وهي تشبه الاستماع إلى نبض القلب الكهربائي للجهاز. ووجدوا أن تيار "التسرب" انخفض بمق factor قدره 55.5، وأن الوقت الذي تستغرقه الشحنات الكهربائية للبقاء داخل الخلية قد زاد بمقدار 7.4 مرة. وقد أكد هذا أن البراسيوديميوم كان يقوم بوظيفته بالفعل كمثبط للعيوب.

من المهم ملاحظة أن هذه النتائج تأتي من محاكاة حاسوبية مفصلة للغاية، وليس من تجربة فيزيائية في مختبر. ويؤكد المؤلفون بوضوح أنه بينما تبدو الرياضيات مثالية والفيزياء سليمة، إلا أن الخلية الشمسية الفعلية تحتاج إلى أن تُبنى وتُختبر في العالم الحقيقي لتأكيد هذه الأرقام. كما أشاروا أيضاً إلى أن استراتيجية "التطعيم" هذه تعمل بشكل أفضل مع المواد ذات الفجوة الطاقية العريضة مثل CsPbBr3 تحت الأضواء الداخلية، وقد لا تعمل بنفس الطريقة لأنواع أخرى من الخلايا الشمسية أو تحت ضوء الشمس الساطع.

في النهاية، تقترح هذه الورقة مساراً واعداً نحو توفير الطاقة لأجهزتنا الذكية في المستقبل. فمن خلال استخدام عنصر أرضي نادر لسد التسريبات المجهرية في خلية شمسية مرنة، قد نتمكن أخيراً من إنشاء مستشعرات تعمل للأبد باستخدام الضوء المنبعث من غرف المعيشة أو المكاتب لدينا. تسلط الدراسة الضوء على أن حصاد الطاقة في الداخل يتطلب سد التسريبات أكثر من الحاجة لتكبير حجم الدلو. وإذا أمكن تحويل هذه المحاكاة إلى واقع، فقد نكون على بعد خطوة واحدة من عالم لا تحتاج فيه أجهزتنا إلى تغيير البطارية أبداً.