Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications
تُوصّف هذه الدراسة الأغشية الرقيقة لبيروفسكايت يوديد البزموت مع ميثيل الأمونيوم والفورماميدينيوم الخالية من الرصاص، مؤكدةً جودتها الهيكلية وفجوات نطاقها البصرية، بينما تكشف عن آليات توصيل القفز المنشطة حرارياً التي تجعلها مرشحة واعدة للتطبيقات الإلكترونية الضوئية.
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
في عالم الطاقة الشمسية، لطالًا ما بحث العلماء عن مواد يمكنها التقاط ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء بكفاءة أكبر من ألواح السيليكون الحالية. لسنوات، أظهرت عائلة من المواد تُعرف باسم "البيروفسكايت" (perovskites) وعودًا كبيرة، لكن الكثير من أفضل أدائها يحتوي على الرصاص، وهو معدن سام يشكل مخاطر بيئية وصحية. وقد دفع هذا الباحثين للبحث عن بدائل أكثر أمانًا وخالية من الرصاص، لا تزال تمتلك نفس القدرة على توصيل الشحنات الكهربائية. ومن بين المرشحين الأكثر واعدية، توجد مركبات مكونة من البزموت، وهو معدن أقل سمية بكثير. ومع ذلك، فإن مجرد استبدال الرصاص بالبزموت يغير كيفية سلوك المادة. ولجعل هذه المواد الجديدة مفيدة، يجب على العلماء فهم كيفية تحرك الكهرباء من خلالها، وكيفية امتصاصها للضوء، وكيفية ترتيب هياكلها البلورية الداخلية. ويكمن التحدي في أن هذه المواد معقدة؛ إذ يعتمد أداؤها بشكل كبير على الذرات المحددة المستخدمة لبنائها وكيفية تصنيع طبقاتها الرقيقة.
لقد شرع فريق من الباحثين من جامعات في سلوفينيا ومقدونيا الشمالية في استقصاء نسختين محددتين من هذه المواد القائمة على البزموت. وركزوا على مركبات حيث يتم دمج ذرات البزموت واليود مع الميثيل أمونيوم أو الفورماميدينيوم، وهي جزيئات عضوية صغيرة تعمل كفواصل هيكلية داخل البلورة. قام الباحثون بإنشاء هذه المواد في المختبر، أولاً عن طريق نموها كبلورات صلبة ثم تحويلها إلى أغشية رقيقة ومنتظمة على شرائح زجاجية، وهي عملية ضرورية لتحويلها إلى خلايا شمسية. ومن خلال فحص هذه الأغشية بعناية، هدف الفريق إلى تحديد خصائصها البصرية، مثل مقدار الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون، وسلوكها الكهربائي، وتحديدًا مدى سهولة حركة الشحنات عبر المادة عند درجات حرارة مختلفة.
بدأ الفريق بالتأكد من أنهم أنشأوا الهياكل الكيميائية الصحيحة بنجاح. وباستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف عن ترتيب الذرات عن طريق صدم العينة بالأشعة السينية، تحققوا من أن البلورات شكلت الأنماط المتوقعة. كما فحصوا الأغشية تحت مجاهر قوية للتحقق من جودة سطحها. وأظهرت الصور أن كلا النوعين من الأغشية كانا ناعمين ومتصلين، دون وجود فجوات أو شقوق كبيرة، وهو أمر بالغ الأهمية لعمل الجهاز بشكل جيد. وظهر اختلاف طفيف واحد: الغشاء المصنوع من جزيئات الفورماميدينيوم بدا أكثر انتظامًا وترتيبًا على السطح من ذاك المصنوع من الميثيل أمونيوم، مما يشير إلى أن حجم وشكل الجزيء العضوي يؤثر على كيفية استقرار البلورة أثناء التصنيع. وأكد التحليل الكيميائي أن نسبة ذرات البزموت إلى اليود كانت تمامًا كما هو متوقع، مما يضمن أن المواد نقية وخالية من الشوائب غير المرغوب فيها.
بعد ذلك، قاس الباحثون كيفية تفاعل هذه الأغشية مع الضوء. عندما يصطدم الضوء بمادة ما، يمكن امتصاصه إذا كانت طاقة الضوء كافية لدفع إلكترون إلى حالة يمكنه فيها التحرك وحمل تيار كهربائي. وجد الفريق أن كلتا المادتين تمتصان الضوء بشكل جيد جدًا، خاصة في أجزاء الأزرق والأخضر من الطيف المرئي، مما يعطي الأغشية لونًا برتقاليًا أو أحمر داكنًا مميزًا. ومن خلال تحليل بيانات الامتصاص، حسبوا فجوة الطاقة، وهي الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتحرير إلكترون. وحددوا أن نسخة الميثيل أمونيوم لديها فجوة طاقة تبلغ 1.98 إلكترون فولت، بينما تمتلك نسخة الفورماميدينيوم فجوة أصغر قليلاً تبلغ 1.74 إلكترون فولت. وهذا الفرق مهم لأن الفجوة الأصغر تسمح للمادة بحصد نطاق أوسع من ضوء الشمس. وأشارت البيانات إلى أن كلتا المادتين تتصرفان كأشباه موصلات غير مباشرة، وهو نوع محدد من السلوك حيث تتضمن حركة الإلكترونات تغيرًا في الزخم، مما يجعل العملية أكثر تعقيدًا مقارنة بأشباه الموصلات المباشرة.
ولفهم كيفية انتقال الكهرباء فعليًا عبر هذه الأغشية، أجرى الفريق مطيافية المعاوقة، وهي طريقة تقيس مدى مقاومة المادة لتدفق التيار الكهربائي عبر نطاق واسع من الترددات ودرجات الحرارة. ولاحظوا أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض مقاومة المادة، وهو سلوك نموذجي لأشباه الموصلات حيث تساعد الحرارة في تحرير حوامل الشحنة. وكشفت القياسات أن حركة الكهرباء ليست سلسة ومستمرة بل تحدث من خلال آلية "القفز". في هذه العملية، تقفز الشحنات من مكان موضعي إلى آخر، متغلبة على حواجز طاقة صغيرة في طريقها. وحسب الباحثون أن الطاقة المطلوبة لهذه القفزات تبلغ حوالي 0.5 إلكترون فولت لكلتا المادتين. وهذه القيمة أعلى مما يُرى عادة في مواد البيروفسكايت القائمة على الرصاص، مما يشير إلى أنه على الرغم من أن مواد البزموت أكثر أمانًا، إلا أنها تتحرك حاليًا ببطء أكبر.
كما كشفت الدراسة عن تفاصيل حول مصدر المقاومة داخل المادة. فقد أشارت الإشارات الكهربائية إلى أن الحدود بين البلورات الصغيرة، أو الحبيبات، التي تشكل الغشاء هي أكثر مقاومة من الحبيبات نفسها. وهذا يعني أن مسار المقاومة الأقل غالبًا ما يكون مسدودًا عند الواجهات حيث تلتقي هذه البلورات. علاوة على ذلك، فإن استرخاء الشحنات الكهربائية، أو مدى سرعة استجابتها لمجال متغير، لم يتبع نمطًا بسيطًا ومنتظمًا. وبدلاً من ذلك، أظهرت الشحنات مجموعة متنوعة من أوقات الاستجابة، مما يشقى إلى بيئة داخلية معقدة تحتوي على العديد من أنواع العوائق المختلفة. وبالرغم من هذه العقبات، أكد الباحثون أن المواد تمتلك الخصائص الأساسية اللازمة للأجهزة الإلكترونية الضوئية. وخلصوا إلى أنه على الرغم من أن أفلام البزموت ليست بنفس كفاءة نظيراتها القائمة على الرصاص بعد، إلا أن استقرارها وانخفاض سميتها يجعلها مرشحة قوية للتطوير المستقبلي، خاصة إذا تمكن العلماء من إيجاد طرق لتحسين الروابط بين البلورات للسماح للكهرباء بالتدفق بحرية أكبر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.