Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
تقدم هذه الدراسة جزيئاً ذاتي التجمع من البيسفوسفونيك طويل المدى (S2) يتيح تغطية سطحية موحدة ومستقرة على السيليكون ذي الملمس الصناعي، مما أدى إلى خلايا ونماذج شمسية ترادفية من البيروفسكايت/السيليكون بكفاءة معتمدة تبلغ 32.6% ومتانة عالية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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: حيث يمكن لطبقة واحدة من المادة أن تلتقط شريحة محددة فقط من ضوء الشمس، مما يترك الباقي يمر عبرها أو يتحول إلى حرارة مهدرة. ولتجاوز هذا الحاجز، لجأ العلماء إلى تكديم طبقتين مختلفتين من المواد الملتقطة للضوء فوق بعضهما البعض، مما يخلق خلية ترادفية (tandem cell). صُممت الطبقة العلوية لالتقاط الضوء عالي الطاقة، بينما تلتقط الطبقة السفلية، المصنوعة عادةً من السيليكون، الضوء منخفض الطاقة الذي يتسرب من خلالها. وعندما تعمل هاتان الطبقتان معاً، يمكنهما نظرياً توليد كهرباء أكثر بكثير من الألواح الشمسية القياسية. ومع ذلك، فقد ثبت أن جعل هذه الخلايا المكدسة تعمل بكفاءة على نطاق صناعي واسع أمر صعب للغاية. فالطبقة السفلية من السيليكون ليست مسطحة؛ بل هي مغطاة بأهرامات صغيرة مسننة للمساعدة في حبس الضوء. وبينما يعد هذا الملمس جيداً لالتقاط ضوء الشمس، فإنه يخلق تضارساً وعراً يصعب للغاية طلاؤه بشكل متساوٍ بالطبقات الكيميائية الدقيقة اللازمة لجعل الطبقة العلوية تعمل. وإذا كان الطلاء غير مستوٍ، فإن الجهاز يفشل، ويظل الوعد بالكفاءة العالية حبيس المختبرات.
لقد نجح فريق من الباحثين الآن في حل مشكلة الطلاء هذه من خلال تصميم نوع جديد من الطبقات الجزيئية التي يمكنها التمدد بشكل مثالي فوق سطح السيليكون الخشن، مما أدى إلى تحقيق كفاءة قياسية للألواح الشمسية الكبيرة. ويكمن جوهر نجاحهم في جزيء مصمم خصيصاً يعمل كجسر ذاتي التجميع بين السيليكون وطبقة التقاط الضوء العلوية. لقد استخدمت المحاولات السابقة لإنشاء هذه الجسور جزيئات صغيرة لا يمكنها الإمساك بالسيليكون إلا في نقطة واحدة فقط. وعلى القمم والنتوءات المسننة لنسيج السيليكون الصناعي، لم تتمكن هذه الجزيئات الصغيرة من الوصول إلى النقطة التالية، مما ترك فجوات وتسبب في تمزق الغشاء. وحاول باحثون آخرون استخدام جزيئات طويلة تشبه السلاسل لتغطية مساحة أكبر، لكن هذه الجزيئات كانت تميل إلى التكتل معاً في أكوام فوضوية بدلاً من تشكيل ورقة ناعمة. أما التصميم الجديد، الذي طوره علماء من جامعة بكين وشركة "ترينا سولار" ومؤسسات أخرى، فيجمع بين أفضل ما في العالمين؛ فقد ابتكروا جزيئاً ذا عمود فقري طويل ومرن يمكنه التمدد عبر القمم الحادة لأهرامات السيليكون، بينما تم تجهيز أطرافه بمرساتين قويتين بدلاً من واحدة.
وجد الباحثون أن هذا التصميم المحدد يسمح للجزيئات بالانتشار بشكل متساوٍ، وتغطية كل بوصة من السطح ذي الملمس الخشن دون تكتل أو ترك فجوات. ولأن الجزيئات طويلة ومرنة للغاية، يمكنها الانحناء والتكيف مع شكل السيليكون، والوصول من جانب واحد من الهرم إلى الجانب الآخر. كما أن المرساتين الموجودتين في النهايات تمسكان بالسطح بإحكام، مما يضمن بقاء الطبقة في مكانها حتى تحت تأثير الحرارة والإجهاد. ويعد هذا التغطية الموحدة أمراً بالغ الأهمية لأنها تسمح للكهرباء بالتدفق بسلاسة من الطبقة العلوية إلى الطبقة السفلية دون أن تتعثر أو تتسرب بعيداً. وعندما اختبر الفريق هذا الجزيء الجديد في بيئة مختبرية على قطعة صغيرة من السيليكون، قامت الخلية الشمسية الناتجة بتحويل 34.3% من ضوء الشمس الساقط عليها إلى كهرباء، وهي قفزة كبيرة عن الأرقام القياسية السابقة لهذا النوع من الخلايا الصغيرة.
والأهم من ذلك، أثبت الفريق أن هذا النهج يعمل على النطاق الضخم المطلوب لتوليد الطاقة في العالم الحقيقي. فقد طبقوا نفس الجزيء على رقاقة سيليكون كبيرة، بحجم لوح شمسي صناعي قياسي تقريباً، باستخدام آلة تطلي السطح مثل الطابعة. وحقق اللوح الكبير كفاءة معتمدة بلغت 32.6%، وهي أعلى كفاءة سُجلت على الإطلاق لخلية شمسية بهذا الحجم. ولضمان جاهزية هذه التكنولوجيا للعالم الحقيقي، أخضع الباحثون الألواح لظروف قاسية تحاكي سنوات من الاستخدام في الهواء الطلق؛ حيث خبزوا الألواح في حرارة ورطوبة عاليتين، وعرضوها لدورات من تغيرات درجات الحرارة القصوى. وبعد هذه الاختبارات، احتفظت الألواح بأكثر من 90% من إنتاجها الأصلي من الطاقة. وعندما قاموا بتركيب وحدة مكونة من هذه الخلايا الكبيرة في الخارج، استمرت في إنتاج طاقة ثابتة على مدار شهر كامل.
توضح هذه الدراسة أن مفتاح إطلاق الإمكانات الكاملة للطاقة الشمسية من الجيل التالي لا يكمن فقط في المواد التي تلتقط الضوء، بل في كيفية ربط تلك المواد بالسيليكون الموجود تحتها. فمن خلال هندسة جزيء طويل بما يكفي ليمتد عبر التضاريس الوعرة للسيليكون الصناعي وقوي بما يكفي للتمسك بها، أزال الباحثون عقبة رئيسية كانت تبقي الخلايا الشمسية عالية الكفاءة محصورة في عينات مختبرية صغيرة. ويشير هذا العمل إلى أن الطريق نحو طاقة شمسية أرخص وأقوى أصبح واضحاً، بشرماً أن يتم إدارة الواجهة الدقيقة بين الطبقات بنفس الدقة التي تُدار بها مواد التقاط الضوء نفسها. وتشير النتائج إلى أن هذه الخلايا الترادفية لم تعد مجرد إمكانية نظرية، بل أصبحت تكنولوجيا قابلة للإنتاج الضخم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.