Numerical Study of Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells using Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) Software

لطالما كانت الطاقة الشمسية حكراً على ألواح السيليكون الصلبة، لكن جيلاً جديداً من تقنيات حصاد الضوء يعيد كتابة القواعد. هذه هي خلايا البيروفسكايت الشمسية، وهي فئة من الأجهزة المصنوعة من بنية بلورية محددة يمكن تنميتها في شكل أغشية رقيقة ومرنة. وخلافاً لأقربائها من السيليكون، التي تتطلب حرارة عالية وآلات باهظة الثمن لتصنيعها، يمكن إنشاء هذه الخلايا الجديدة باستخدام محاليل كيميائية بسيطة، مما يوفر مساراً لطاقة أرخص وأكثر تنوعاً. ومع ذلك، لكي تصبح هذه الخلايا جزءاً موثوقاً في شبكة الطاقة لدينا، يجب ألا تكون فعالة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء فحسب، بل يجب أن تكون مستقرة أيضاً بما يكفي لتدوم لعقود دون تدهور. وقد كانت العقبة الرئيسية هي المواد المستخدمة لنقل الشحنات الكهربائية المتولدة عن الضوء؛ حيث إن العديد من أفضل المواد أداءً هي مركبات عضوية تتحلل تحت تأثير الحرارة أو الرطوبة، مما يحد من العمر الافتراضي للجهاز.

في دراسة حديثة، استخدم فريق من الباحثين أداة محاكاة حاسوبية قوية لاستكشاف كيفية بناء خلية بيروفسكايت شمسية تكون عالية الكفاءة ومتينة في آن واحد. وبدلاً من الاعتماد على المواد العضوية الهشة، صمموا جهازاً يستخدم فقط طبقات غير عضوية، أو معدنية، لنقل الكهرباء. ومن خلال بناء خلية شمسية افتراضياً بهندسة معمارية محددة واختبار آلاف المتغيرات، اكتشفوا كيفية ضبط سمك كل طبقة وجودة المواد لتحقيق كفاءة نظرية بلغت 25.81 بالمائة. ويشير عملهم إلى أنه من خلال استبدال المكونات المكلفة وغير المستقرة بمعادن متينة ومنخفضة التكلفة، فمن الممكن إنشاء خلايا شمسية ليست قوية فحسب، بل متينة أيضاً بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي.

ركز الباحثون اهتمامهم على نوع معين من مادة البيروفسكايت يُعرف باسم "فورماميدينيوم ليد أيوديد". وتُقدر هذه المادة لقدرتها على امتصاص الضوء بفعالية واستقرارها الحراري، مما يجعلها مرشحاً قوياً لاستبدال النسخ الأقل استقراراً المستخدمة في التجارب السابقة. ولتوجيه تدفق الكهرباء داخل الخلية، اختار الفريق مادتين غير عضويتين: أكسيد القصدير للطبقة التي تنقل الإلكترونات، ويوديد النحاس للطبقة التي تنقل الشحنات الموجبة، أو "الثقوب". لقد بنوا نموذجاً افتراضياً للخلية الشمسية، طبقة تلو أخرى، بدءاً من قطب كهربائي أمامي شفاف، يليه طبقة نقل الإلكترونات، ثم ممتص البيروفسكايت، ثم طبقة نقل الثقوب، وأخيراً اتصال خلفي من الفضة. سمح لهم هذا النموذج الرقمي بإجراء تجارب قد يكون من الصعب أو المكلف أو المستهلك للوقت تنفيذها في مختبر فيزيائي.

تضمن جزء مركزي من استقصائهم فهم كيفية تأثير العيوب داخل المواد على الأداء. ففي العالم الحقيقي، نادراً ما تكون البلورات مثالية؛ إذ تحتوي على عيوب صغيرة حيث تكون الذرات مفقودة أو في غير مكانها. تعمل هذه العيوب كمصائد تمسك بالشحنات الكهربائية، مما يتسبب في تلاشيها قبل أن يتم جمعها كطاقة. قام الباحثون بمحاكاة كيفية تأثير عدد هذه العيوب، سواء داخل الطبقة الرئيسية الممتصة للضوض أو عند الحدود حيث تلتقي الطبقات، على مخرجات الخلية. ووجدوا أنه بينما يمكن للخلية أن تتحمل عدداً قليلاً من العيوب، فإن وجود الكثير من العيوب، لا سيما عند الواجهة بين طبقة نقل الإلكترونات والممتص، يؤدي إلى انخفاض حاد في الكفاءة. وعندما كانت كثافة العيوب عند هذا الموصل الحرج مرتفعة، تراجعت قدرة الخلية على توليد الطاقة بشكل كبير، مما يسلط الض الضوء على الحاجة إلى واجهات نقية في الجهاز العامل.

قام الفريق أيضاً بتعديل الأبعاد الفيزيائية للجهاز بشكل منهجي لإيجاد "النقطة المثالية" للأداء. فقد قاموا بتغيير سمك طبقة نقل الإلكترونات وطبقة الممتص الرئيسية، واختبروا كل شيء بدءاً من الأغشية الرقيقة جداً وصولاً إلى الأغشية الأكثر سمكاً. وكشفت عمليات المحاكاة التي أجروها أن سمك 300 نانومتر لطبقة نقل الإلكترونات و500 نانومتر لطبقة الممتص حقق أفضل النتائج. فإذا كان الممتص رقيقاً جداً، فلن يتمكن من التقاط ما يكفي من ضوء الشمس لتوليد تيار قوي. وإذا كان سميكاً جداً، ستزداد المقاومة الكهربائية، وتتحد الشحنات مع بعضها البعض قبل وصولها إلى الأقطاب الكهربائية، مما يهدر الطاقة. وبالمثل، اختبروا كيف سيتصرف الجهاز تحت درجات حرارة مختلفة، ووجدوا أنه مع ارتفاع الحرارة، ينخفض أداء الخلية، وهو تحدٍ شائع للعديد من تقنيات الطاقة الشمسية.

من خلال الجمع بين هذه المعايير المحسنة، أنشأ الباحثون خلية شمسية افتراضية أدت أداءً استثنائياً. وتحت ظروف ضوء الشمس القياسية وعند درجة حرارة معتدلة، حقق أفضل تصميم لديهم كفاءة تحويل طاقة بلغت 25.81 بالمائة. ويمثل هذا الرقم النسبة المئوية لطاقة ضوء الشمس التي يتم تحويلها بنجاح إلى كهرباء. كما أنتج الجهاز جهداً عالياً وتياراً قوياً، مما يشير إلى أن المواد غير العضوية التي اختاروها كانت قادرة على نقل الشحنات بكفاءة دون الخسائر المرتبطة عادةً بالبدائل العضوية. وتشير الدراسة إلى أن هذا المزيج المحدد من المواد والأبعاد يخلق بيئة مستقرة حيث يمكن لطبقة البيروفسكايت أن تعمل عند ذروة إمكاناتها.

تكمن أهمية هذا العمل في إثبات أن الأداء العالي لا يتطلب مواد مكلفة أو غير مستقرة. فمن خلال استبدال طبقات النقل العضوية التقليدية بطبقات غير عضوية مثل أكسيد القصدير ويوديد النحاس، أظهر الباحثون مساراً لخلايا شمسية ليست فعالة فحسب، بل هي أيضاً أكثر استقراراً بطبيعتها ضد الحرارة والإجهاد البيئي. ورغم أن هذه النتائج قد تحققت من خلال المحاكاة الحاسوبية ولم يتم بناؤها واختبارها مادياً في مختبر بعد، إلا أن النتائج توفر مخططاً واضحاً للتجارب المستقبلية. وتؤكد الدراسة أنه مع سماكات الطبقات المناسبة والحد الأدنى من العيوب، يمكن لخلية بيروفسكايت شمسية غير عضوية بالكامل أن تضاهي أفضل مستويات الكفاءة المشهودة حالياً في هذا المجال، مما يوفر مساراً واعداً نحو مستقبل طاقة شمسية أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة.