Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation
تُظهر هذه الدراسة التخليق المتحكم به لبلورات نانوية من بيروفسكايت Cs3Bi2I9 الخالية من الرصاص عبر طريقة الترسيب المتكرر بمساعدة اللجين ذات التدفق المستمر، مما ينتج عنه أغشية رقيقة بفجوة نطاق تبلغ 1.8 إلكترون فولت وأجهزة كهروضوئية تحقق كفاءة تحويل طاقة بنسبة 0.5%.
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
اعتمدت تكنولوجيا الطاقة الشمسية لفترة طويلة على فئة من المواد تسمى "البيروفسكايت"، وهي بلورات قادرة على التقاط ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء بكفاءة ملحوظة. غالبًا ما تحتوي النسخ التقليدية من هذه المواد على الرصاص، وهو معدن سام يشكل مخاطر بيئية وصحية، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع. بحث العلماء عن بديل أكثر أمانًا يحافظ على الأداء العالي ولكنه يزيل الخطر. أحد المرشحين الواعدين هو مركب مكون من البزموت، وهو معدن شائع يوجد في كل شيء من مستحضرات التجمات إلى طفايات الحريق، مقترنًا باليود والسيزيوم. هذه المادة الخالية من الرصاص، والمعروفة باسم Cs3Bi2I9، مستقرة وغير سامة، ولكن كان من الصعب تصنيعها بطريقة تنتج أغشية عالية الجودة مناسبة للخلايا الشمسية. يكمن التحدي في التحكم في كيفية تشكل البلورات الصغيرة؛ فإذا نمت بسرعة كبيرة أو بشكل غير متساوٍ، فلن تتمكن الخلية الشمسية الناتجة من نقل الكهرباء بكفاءة.
وضع باحثون في معهد أبحاث الطاقة الشمسية في ماليزيا هدفهم لحل لغز التصنيع هذا عن طريق تغيير كيفية خلط المكونات. فبدلاً من خلط المواد الكيميائية في وعاء قياسي وتركها لتستقر، استخدموا مفاعل تدفق مستمر، وهو نظام يدفع السوائل الأولية عبر قناة ضيقة حيث تختلط وتتفاعل تحت ظروف دقيقة. ركز الفريق على متغير واحد: مقدار الوقت الذي يقضيه الخليط داخل هذه القناة، وهو ما يعرف بـ "زمن الإقامة". اختبروا ثلاث مدد زمنية مختلفة لمعرفة كيف يؤثر طول مدة التفاعل على البلورات النهائية. ومن خلال ضبط هذا التوقيت، سعوا لتوجيه البلورات لتنمو بشكل أكبر، وأكثر تجانسًا، وبأقل قدر من العيوب الداخلية، وهي أمور ضرورية لالتقاط الضوء ونقل الشحنة الكهربائية.
أظهرت النتائج أن الوقت كان بالفعل العامل الحاسم. فعندما تدفق الخليط عبر المفاعل لمدة عشرين ثانية فقط، كانت البلورات الناتلة صغيرة وغير منتظمة ومتكتلة مع بعضها البعض. لم تسمح أوقات التفاعل القصيرة هذه للذرات بامتلاك الفرصة الكافية لترتيب نفسها في بنية منظمة. ومع زيادة الباحثين للوقت إلى أربعين ثانية، بدأت البلورات في التحسن وأصبحت أكثر تجانسًا. ومع ذلك، جاءت أفضل النتائج عندما سُمح للخليط بالتدفق لمدة ستين ثانية. عند هذه المدة، نمت البلورات إلى هياكل شبيهة بالصفائح محددة جيدًا، وكانت أكبر حجمًا وأكثر انتظامًا بشكل ملحوظ مما كانت عليه في الأوقات الأقصر. أكد الفريق ذلك من خلال فحص المادة تحت مجاهر قوية واستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف عن النظام الداخلي للبلورة. أظهرت عينات الستين ثانية أعلى مستوى من النظام الهيكلي، مع وجود عيوب أقل يمكن أن تحجز أو تفقد الطاقة الكهربائية.
ترجم هذا التحسن الهيكلي مباشرة إلى أداء أفضل عندما تم تحويل المادة إلى خلية شمسية. قام الباحثون ببناء أجهزة صغيرة باستخدام البلورات المصنوعة في أوقات مختلفة، حيث وضعت بين طبقات من مواد أخرى لإنشاء مسار لتدفق الكهرباء. كانت الخلايا المصنوعة من بلورات الستين ثانية هي الأفضل أداءً، حيث ولدت جهدًا قدره 0.73 فولت وكثافة تيار بلغت 5.9 × 10⁻² مللي أمبير سم⁻². وبينما كانت الكفاءة الإجمالية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء متواضعة عند 0.50 في المائة، إلا أن هذا كان تحسنًا كبيرًا مقارنة بالخلايا المصنوعة من عملية العشرين ثانية الأسرع، والتي أظهرت انخفاضًا سريعًا في كثافة التيار مع زيادة الجهد. عكس هذا السلوك ضعف نقل الشحنة وارتفاع خسائر إعادة الاتحاد الناتجة عن عدم كفاية التبلور وارتفاع كثافة العيوب. كما أظهرت أجهزة الستين ثانية "عامل ملء" أعلى بكثير، وهو مقياس لمدى فعالية الخلية في تقديم الطاقة، حيث وصل إلى 77.6 في المائة. يشير هذا إلى أن النمو البطيء والمتحكم فيه سمح للمادة بتشكيل غشاء عالي الجودة يمكنه نقل الكهرباء بسلاسة أكبر بكثير.
كما بحثت الدراسة في مدى استقرار هذه البلورات الجديدة تحت الحرارة. باستخدام التحليل الحراري، وجد الباحثون أن المادة ظلت مستقرة حتى حوالي 450 درجة مئوية قبل أن تبدأ في التحلل. وتعد هذه الاستقرارية الحرارية العالية ميزة كبيرة مقارنة بأنواع أخرى من المواد الشمسية التي تتحلل عند درجات حرارة أقل بكثير، مما يشير إلى أن هذه البلورات القائمة على البزموت يمكن أن تتحمل الحرارة الناتجة أثناء التشغيل العادي أو التصنيع. وخلص الفريق إلى أن التحكم في الوقت الذي تقضيه المواد الكيميائية في التفاعل داخل مفاعل التدفق هو وسيلة قوية لضبط جودة مواد الطاقة الشمسية الخالية من الرصاص. ورغم أن أرقام الكفاءة ليست جاهزة بعد لتزويد المنازل بالطاقة، إلا أن العمل يوضح مسارًا واضحًا للمضي قدمًا: فمن خلال إبطاء العملية بما يكفي، يمكن للعلماء دفع هذه البلورات الآمنة والخالية من الرصاص لتشكيل الهياكل عالية الجودة اللازمة للجيل القادم من الطاقة الشمسية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.