Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption
تقدم هذه الدراسة نموذج توازن مفصلاً يتضمن الاقتران اللمعي لإثبات أن البيروفسكايت ذات فجوة النطاق الضيقة (~1.57 إلكترون فولت) تتسبب في خسائر كفاءة ضئيلة بشكل مفاجئ في الخلايا الشمسية الترادفية القائمة على السيليكون مقارنة بنظيراتها ذات فجوة النطاق المثالية، مما يشير إلى أن أهميتها المحتملة مستهان بها بسبب المكاسب الكبيرة في الاستقرار وتوفير المواد.
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
تُعد الخلايا الشمسية هي القوة الدافعة لعملية انتقال الطاقة المتجددة، حيث تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. ولعقود من الزمن، عرف العلماء أن طبقة واحدة من المادة لا يمكنها التقاط كل الطاقة الموجودة في ضوء الشمس بكفاءة؛ فبعض ألوان الضوء تمر عبرها مباشرة، بينما تُمتص أخرى بسرعة كبيرة، مما يهدر طاقتها على شكل حرارة. ولحل هذه المشكلة، يقوم الباحثون بتكديس نوعين مختلفين من الخلايا الشمسية فوق بعضهما البعض، مما يخلق جهازاً ترادفياً (tandem device). صُممت الطبقة العلوية لالتقاط الضوء الأزض عالي الطاقة، بينما تسمح للضوء الأحمر منخفض الطاقة بالمرور إلى طبقة السيليكون الموجودة تحتها ليتم حصاده. هذا الاقتران لديه القدرة على دفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى ما هو أبعد بكثير مما يمكن أن تحققه الخلايا أحادية الطبقة. ومع ذلك، فإن العثور على المادة المثالية لتلك الطبقة العلوية هو عملية توازن دقيقة؛ فإذا تم ضبط الطبقة العلوية لامتصاص النطاق الخاطئ من الألوان، فقد تولد كهرباء أكثر مما تستطيع الطبقة السفلية التعامل معه، أو قد تكون سميكة جداً، مما يجعل الجهاز مكلفاً وغير مستقر.
لقد طور باحث في جامعة لايبنيتز هانوفر ومعهد هاميلين لأبحاث الطاقة الشمسية طريقة جديدة لنمذجة هذه الخلايا المتراكمة لمعرفة ما إذا كان اختيار مادة مختلفة قليلاً قد يكون في الواقع أفضل من المادة المفضلة حالياً. وقد ركزوا على نوع محدد من المواد يسمى "البيروفسكايت" (perovskite)، وهو هيكل بلوري يمكن ضبطه لامتصاص ألوان مختلفة من الضوء. وبينما اتفق المجتمع العلمي عموماً على أن الطبقة العلوية المثالية يجب أن تمتلك فجوة نطاق (band gap) تبلغ حوالي 1.7 إلكترون فولت لتعظيم القدرة، أراد الباحث معرفة ما سيحدث إذا كانت المادة مختلفة قليلاً، بفجوة نطاق تبلغ 1.57 إلكترون فولت. تعني هذه الفجوة الأضيق أن المادة تمتص جزءاً أكبر من الطيف الشمسي، لكنها تخلق أيضاً فائضاً من الطاقة يحتاج إلى إدارة. وكان مفتاح تحقيقهم هو ظاهرة تسمى "الاقتران اللمعاني" (luminescent coupling)، وهي عملية تقوم فيها الخلية العلوية، بعد امتصاص الضوء، بإعادة انبعاث بعض تلك الطاقة على شكل ضوء ينتقل إلى خلية السيليكون السفلية لاستخدامه مرة أخرى.
باستخدام نموذج حاسوبي مفصل يعتمد على الفيزياء الأساسية، قام الباحث بمحاكاة كيفية سلوك هذه الخلايا الترادفية تحت ضوء الشمس القياسي. وقد أخذ في الاعتبار سمك الطبقة العلوية وكيفية ارتداد الضوء وانتقاله عبر الجهاز، بدلاً من الاعتماد على افتراضات مبسطة تتجاهل هذه التفاصيل البصرية. كشفت عمليات المحاكاة التي أجراها أن عقوبة الكفاءة (efficiency penalty) الناتجة عن استخدام المادة ذات الفجوة الأضيق هي أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. فعندما يتم ضبط الخلية العلوية عند 1.7 إلكترون فولت المثالية، يصل الجهاز إلى ذروة كفاءة تبلغ حوالي 41.8 بالمائة. وعندما تُصنع الخلية العلوية من المادة ذات الفجوة الأضيق، تنخفض الكفاءة إلى حوالي 39.9 بالمائة. ويمثل هذا خسارة نسبية تبلغ حوالي 5 بالمائة فقط. وفي عالم الطاقة الشمسية، حيث يتم التنافس بشدة على كل جزء من المائة، يعد هذا ثمناً ضئيلاً للغاية.
يكمن السبب في أن هذه الخسارة الصغيرة مهمة في سمك المواد المطلوبة. فمن أجل الوصول إلى ذروة الكفاءة تلك باستخدام مادة الـ 1.7 إلكترون فولت المثالية، تحتاج الطبقة العلوية إلى أن تكون سميكة نوعاً ما، حوالي 1500 نانومتر. ومع ذلك، وجد الباحث أن المادة ذات الفجوة الأضيق تصل إلى أفضل أداء لها عند سمك قدره 733 نانومتر فقط. وهذا يعني أنه من خلال قبول انخفاض طفيف في الكفاءة النظرية، يمكن للمصنعين تقليل كمية المادة المطلوبة للخلية العلوية بأكثر من النصف. ولا يتعلق هذا التقليل بتوفير المال على المواد الخام فحسب، بل يؤدي أيضاً إلى تسريع عملية التصنيع، حيث إن ترسيب الطبقات الأرق يستغرق وقتاً أقل، كما يقلل من كمية الرصاص السام الموجود في كل متر مربع من اللوح.
كما استكشفت الدراسة كيف تصمد هذه النتائج في تكوينات مختلفة. ففي الإعداد الذي يتم فيه توصيل الخليتين كهربائياً في دائرة واحدة، تظل عقوبة الـ 5 بالمائة ثابتة. ومع ذلك، إذا تم توصيل الخلايا بشكل منفصل، مما يسمح لها بالعمل بشكل مستقل، فإن فجوة الكفاءة تتقلص لتصبح 2 بالمائة فقط. يشير هذا إلى أن المادة ذات الفجوة الأضيق تتمتع بتنوع كبير. وأشار الباحث إلى أنه بينما تعتبر مادة فجوة النطاق المثالية هي الحد الأقصى النظري، فإن خيار الفجوة الأضيق يقدم مقايضة مقنعة. فإذا ثبت أن المادة ذات الفجوة الأضيق أكثر استقراراً بمرور الوقت أو أرخص في الإنتاج، فقد توفر في النهاية كهرباء أكثر على مدار عمر المزرعة الشمسية مقارنة بالبديل المثالي نظرياً ولكنه أكثر هشاشة.
من خلال الحساب الدقيق لكيفية حركة الضوء واقترانه بين الطبقات، يتحدى هذا العمل الافتراض بأن فجوة النطاق المثلى هي المسار الوحيد الممكن. ويشير إلى أن البيروفسكايت ذات الفجوة الأضيق، والتي تم التغاضي عنها نوعاً ما لصالح المثالية النظرية، قد تكون خياراً أكثر عملية للألواح الشمسية في العالم الحقيقي. وتوفر هذه النتائج طريقة قائمة على البيانات لوزن المقايضات بين الكفاءة الخام وعوامل مثل الاستقرار والتكلفة واستخدام المواد. وبالنسبة لمستقبل الطاقة الشمسية، يعني هذا أن البحث عن الخلية الشمسية المثالية قد لا يتطلب مطاردة رقم نظري واحد، بل إيجاد التوازن الصحيح بين الأداء والواقعية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.