Spin-Coating-Speed-Dependent Structural and Optical Properties of Open-Air-Processed MAPbI 3 Thin Films: Experimentally Informed SCAPS-1D Device Simulation

لطالما كانت الطاقة الشمسية حكراً على ألواح السيليكون الثقيلة، ولكن ظهر منافس جديد وأخف وزناً من المختبرات: خلايا البيروفسكايت الشمسية. تستخدم هذه الأجهزة فئة خاصة من البلورات التي يمكن طلاؤها على الأسطح مثل الحبر، مما يوفر مساراً محتملاً لإنتاج كهرباء رخيصة ومرنة. والنسخة الأكثر واعداً من هذه المادة هي مركب يسمى "يوديد ميثيل أمونيوم الرصاص". ولجعل هذه المادة تعمل، يجب على العلماء تنمية طبقة رقيقة وخالية من العيوب من هذه البلورات على شريحة زجاجية. وتحدد جودة هذه الطبقة مدى قدرة الخلية الشمسية على التقاط ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة. ومع ذلك، فإن تنمية هذه البلورات هي عملية توازن دقيقة؛ فإذا كانت العملية بطيئة للغاية، تجف المادة بشكل غير متساوٍ، وإذا كانت سريعة للغاية، فلن تجد البلورات الوقت الكافي لتتشكل بشكل صحيح. ويكمن التحدي في إيجاد السرعة الدقيقة التي تسمح للبلورات بالنمو بشكل كبير ومنظم، مما يخلق غشاءً أملس دون شقوق أو فجوات.

وضع فريق من الباحثين في جامعة أوبافيمي أولوولو والجامعة الفيدرالية للتكنولوجيا في أويري بنيجيريا، هدفهم لحل هذا اللغز تحديداً. فقد ركزوا على متغير واحد: ما هي السرعة التي يجب أن يدور بها شريحة الزجاج أثناء تطبيق المحلول السائل. هذه العملية الدورانية، المعروفة باسم "الطلاء الدوراني"، تعمل على نشر السائل في شكل غشاء رقيق. اختبر الفريق أربع سرعات مختلفة، تتراوح من 2,000 إلى 5,000 دورة في الدقيقة، مع الحفاظ على جميع الظروف الأخرى متطابقة تماماً. وقد عملوا في غرفة محكومة بمستويات محددة من درجة الحرارة والرطوبة لضمان عدم تدخل الهواء نفسه في النتائج. ومن خلال استخدام مذيب يتبخر بسرعة وعملية تسخين محددة، وجهوا السائل ليتحول إلى بلورات صلبة على الزجاج.

وكشفت النتائج أن العلاقة بين السرعة والجودة ليست خطاً مستقيماً. فقد وجد الباحثون أن تدوير الزجاج ببطء شديد أو بسرعة كبيرة يؤدي كلاهما إلى بلورات غير منتظمة وغير مثالية. فالسرعة الأبطأ تركت السائل سميكاً جداً، مما تسبب في جفافه بشكل غير متساوٍ. أما السرعة الأسرع فقد جردت السائل بسرعة كبيرة لدرجة أن البلورات لم تتمكن من النمو بشكل كافٍ. وقد وُجدت "النقطة المثالية" عند 3,000 دورة في الدقيقة. عند هذه السرعة المحددة، نمت البلورات إلى أكبر حجم لها، حيث بلغ عرضها حوالي 22.73 نانومتر، وكان الإجهاد الداخلي داخل المادة في أدنى مستوياته. وقد خلق هذا أكثر الأغشية تنظيماً وعالية الجودة من بين جميع العينات التي تم اختبارها. وأكد الفريق ذلك من خلال فحص الغشاء بالأشعة السينية، والتي أظهرت بنية بلورية مثالية دون وجود أي مواد خام متبقية.

بمجرد تحديد أفضل غشاء، أراد الباحثون معرفة كيف ستترجم هذه الجودة الفيزيائية إلى طاقة كهربائية. استخدموا محاكاة حاسوبية لبناء خلية شمسية افتراضية باستخدام الخصائص الدقيقة للأغشية التي صنعوها. وأظهرت المحاكاة أن الغشاء الذي دُور عند 3,000 دورة في الدقيقة، والذي يتميز بفجوة طاقة أقل قليلاً لامتصاص الضوء، قد حقق أداءً أفضل قليلاً من غيره. وفي هذا الاختبار الافتراضي، حقق النموذج الأولي الأفضل كفاءة بلغت 16.67 بالمائة. ومع ذلك، لم يتوقف الباحثون عند هذا الحد؛ فقد استخدموا المحاكاة للتساؤل عما سيحدث إذا تمكنوا من إصلاح مشكلات أخرى في الجهاز، مثل جعل الطبقات أكثر سمكاً أو تقليل العيوب الصغيرة التي تحجز الكهرباء. وعندما قاموا بتحسين هذه العوامل في النموذج الحاسوبي، قفزت الكفاءة المتوقعة إلى 25.38 بالمائة.

تسلط هذه الدراسة الضوء على أنه بينما تعد سرعة عملية التدوير أمراً حاسماً لصنع بلورات جيدة، إلا أنها ليست سوى الخطوة الأولى. لقد أثبت الباحثون أن أفضل غشاء فيزيائي لا يضمن تلقائياً أفضل خلية شمسية، ولكنه يوفر الأساس الضروري. فقد أظهرت النماذج الحاسوبية أنه للوصول إلى أعلى مستويات الطاقة الممكنة، يجب أيضاً إدارة سمك الطبقات وتقليل العيوب الصغيرة داخل المادة بعناية. ويؤكد هذا العمل أن صنع الخلايا الشمسية في الهواء العادي أمر ممكن إذا تمت السيطرة على العملية بدقة، كما يوفر خارطة طريق واضحة لكيفية الانتقال من عينة مخبرية أساسية إلى جهاز عالي الكفاءة. وتشير النتائج إلى أن مستقبل هذه الخلايا الشمسية لا يكمن فقط في إيجاد مواد جديدة، بل في إتقان التفاصيل الدقيقة واليومية لكيفية بنائها.