Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

لطالما ركز البحث عن طاقة أنظف على المواد التي يمكنها التقاط ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء بكفاءة ملحوظة. ومن بين أكثر المرشحين واعداً هي عائلة من البلورات تُعرف باسم "البيروفسكايت"، والتي أحدثت ثورة مؤخراً في مجال الطاقة الشمسية. تُبنى هذه المواد من ترتيب محدد للذرات يسمح لها بامتصاص الضوء بكثافة وتحريك الشحنات الكهربائية بسرعة. لسنوات عديدة، اعتمدت النسخة الأكثر فعالية من هذه البلورات على الرصاص، وهو عنصر يجعل أداءها ممتازاً للغاية ولكنه يطرح مشكلة خطيرة: الرصاص سام. فهو يشكل مخاطر جسيمة على صحة الإنسان والبيئة، حيث يؤثر على الجهاز العصبي والأعضاء، ويمكن أن يتراكم في التربة والمياه. وهذا يخلق معضلة صعبة للعلماء: كيف يمكن الحفاظ على الأداء العالي لهذه المواد الشمسية مع إزالة العنصر الخطير الذي يجعلها ضارة.

في دراسة نُشرت في أغسطس 2026، عالج الباحثان حسن عباس وزيشان هـ. خان من جامعة جاميا ميليا الإسلامية في الهند هذا التحدي من خلال مقارنة البلورة القياسية القائمة على الرصاص ببديل جديد خالٍ من الرصاص. لقد سعوا إلى إنشاء مادتين محددتين في المختبر: "ميثيل أمونيوم يوديد الرصاص" المعروف، والذي يحتوي على الرصاص، ومركب جديد يسمى "ميثيل أمونيوم يوديد البزموت"، والذي يستبدل الرصاص بالبزموت، وهو عنصر أكثر أماناً بكثير. لم يكتف الفريق بمجرد خلط المواد الكيميائية؛ بل قاموا بعناية بتنمية أغشية رقيقة من هذه المواد على ألواح زجاجية ثم أخضعوها لسلسلة من الاختبارات لمعرفة كيفية بنائها وكيفية تفاعلها مع الضوء. كان هدفهم هو فهم ما إذا كان نسخة البزموت الأكثر أماناً يمكن أن تضاهي الجودة الهيكلية وقدرات امتصاص الضوء لنسخة الرصاص، أو ما إذا كانت ستخفق في جوانب قد تمنع استخدامها في الألواح الشمسية الواقعية.

بدأ الباحثون بتخليق كلتا المادتين باستخدام طريقة المحلول السائل، وهي عملية تتضمن إذابة المكونات الخام في مذيب ثم تجفيفها لتكوين فيلم صلب. وبمجرد إنشاء الأغشية، فحصوها تحت مجاهر قوية لرؤية شكلها على مقي scale متناهي الصغر. كشفت الصور أن فيلم البزموت الخالي من الرصاص كان ناعماً وكثيفاً بشكل استثنائي، ويفتقر إلى الثقوب الصغيرة أو الفجوات التي تظهر أحياناً في النسخة القائمة على الرصاص. كما شكلت بلورات البزموت هياكل أكبر قليلاً من نظيراتها من الرصاص. وعندما نظر الفريق إلى الترتيب الداخلي للذرات باستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف عن البنية البلورية، وجدوا أن مادة البزموت كانت في الواقع أكثر نظاماً وتجانساً من مادة الرصاص. هذا الدرجة الأعلى من النظام تشير إلى أن الفيلم الخالي من الرصاص كان ذا جودة عالية جداً، وربما كان أفضل حتى من حيث بنيته الفيزيائية من نسخة الرصاص التقليدية.

بعد ذلك، وجه الفريق اهتمامه إلى كيفية تعامل هذه المواد مع الضوء، وهو العامل الأكثر حرجاً بالنسبة للخلية الشمسية. لقد سلطوا الضوء عبر مجموعة واسعة من الألوان، من الأشعة فوق البنفسية إلى الأشعة تحت الحمراء، لمعرفة مقدار الضوء الذي يتم امتصاصه ومقدار ما ينفذ من خلاله. أظهرت النتائج أن كلتا المادتين كانتا ممتازتين في التقاط الضوء، لكنهما تقومان بذلك بطرق مختلفة قليلاً. فقد امتصت المادة القائمة على الرصاص الضوء بقوة أكبر عند طول موجي قدره 760 نانومتر، بينما بلغت ذروة امتصاص مادة البزموت عند 530 نانومتر. كانت نسخة الرصاص قادرة على امتصاص نطاق أوسع من الطيف المرئي، وهو ميزة رئيسية لتوليد الكهرباء. وحسب الباحثون أيضاً كيفية انتقال الضوء عبر المواد ووجدوا أن الفيلم الخالي من الرصاص كان أكثر انتظاماً، مع وجود عيوب أقل يمكن أن تشتت الضوء. هذا الانتظام، جنباً إلى جنب مع السطح الناعم المشاهد في صور المجهر، يشير إلى أن مادة البزموت تمتلك بنية داخلية متسقة للغاية.

ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بفجوة الطاقة، أو مقدار الطاقة المحدد المطلوب لتحرير إلكترون حتى يمكنه حمل تيار كهربائي. كانت المادة القائمة على الرصاص تمتلك فجوة طاقة قدرها 1.65 إلكترون فولت، وهي قيمة قريبة جداً من المثالية النظرية لخلية شمسية أحادية الطبقة. هذا التطابق شبه المثالي يفسر سبب نجاح بيروفسكايت الرصاص في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة. وفي المقابل، كانت مادة البزموت الخالية من الرصاص تمتلك فجوة طاقة أوسع قدرها 2.23 إلكترون فولت. ورغم أن هذه القيمة لا تزال مفيدة، إلا أنها تعني أن المادة تمتص جزءاً مختلفاً من الطيف الشمسي وهي أقل كفاءة في التقاط النطاق الكامل لأشعة الشمس مقار بنسخة الرصاص. كما درست الدراسة كيفية انبعاث الضوء من المواد بعد امتصاصه، وهي عملية تسمى "اللمعان الضوئي". فقد توهجت مادة الرصاص عند طول موجي 760 نانومتر، بينما توهجت مادة البزموت عند 590 نانومتر، مما أكد الاختلافات في فجوات الطاقة الخاصة بهما.

في النهاية، ترسم الدراسة صورة لمادتين بخصائص متميزة. فقد أثبتت بيروفسكايت البزموت الخالية من الرصاص تفوقاً هيكلياً في جوانب عديدة، حيث شكلت فيلماً أكثر نعومة وتجانساً مع عيوب أقل من نسخة الرصاص. وهي أيضاً خالية من السمية التي تجعل الرصاص خطيراً للغاية. ومع ذلك، تحتفظ المادة القائمة على الرصاص بميزة حاسمة: فجوة طاقتها أقرب إلى المثالية للطاقة الشمسية، مما يسمح لها بحصد المزيد من الطاقة من ضوء الشمس. وخلص الباحثون إلى أنه بينما يظهر الخيار الخالي من الرصاص وعداً كبيراً ويقدم خصائص مورفولوجية أفضل، فإنه لا يزال بحاجة إلى مزيد من التحسين لمضاهاة كفاءة منافسه القائم على الرصاص. ويشير العمل إلى أن الطريق إلى الأمام يتضمن صقل هذه المواد الأكثر أماناً، ربما عن طريق تعديل تركيبها، لجعل أدائها يقترب من المعايير العالية التي وضعتها بلورات الرصاص عالية الكفاءة ولكن السامة.