Alkyl-Chain Engineering and Synergistic Annealing Enable Enhanced Performance in Non-Fullerene Organic Solar Cells

تُعد الخلايا الشمسية المحركات الهادئة لمستقبل أكثر نظافة، حيث تلتقط ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء. ولعقود من الزمن، اعتمدت النسخ الأكثر كفاءة من هذه الأجهزة على مواد صلبة وهشة كانت باهظة الثمن وصعبة التشكيل. وفي السنوات الأخيرة، وجه العلماء اهتمامهم نحو الخلايا الشمسية العضوية، والتي تُبنى من جزيئات كربونية يمكن طباعتها مثل الحبر على شرائح مرنة. وتتميز هذه الأجهزة بخفتها وقابليتها للتكيف، وهي تحمل الوعد بتشغيل كل شيء بدءًا من الإلكترونيات القابلة للارتداء وصولاً إلى النوافذ المدمجة في المباني. ومع ذلك، لجعلها مفيدة حقًا، يجب على الباحثين حل لغز مستمر: كيف يتم ترتيب الجزيئات الصغيرة داخل الخلية لتعمل معًا بشكل مثالي. تعتمد كفاءة هذه الخلايا بشكل كبير على البنية المجهرية للمادة، وتحديدًا كيفية تراص الجزيئات معًا ومدى سهولة حركة الشحنات الكهربائية خلالها. فحتى التغييرات الطفيفة في شكل الجزيء يمكن أن تغير هذا المشهد الداخلي، إما بمساعدة الشحنات على التدفق بسلاسة أو بالتسبب في تعثرها وضياعها.

في دراسة حديثة، استكشف فريق من الباحثين من الصين طريقة محددة لضبط هذه البنية الجزيئية بدقة. وقد ركزوا على فئة من المواد تُعرف باسم "مستقبلات غير الفوليرين"، وهي مكون رئيسي في الخلايا الشمسية العضوية الحديثة. تعمل هذه الجزيئات كـ "إسفنجة" تمتص الضوء وتطلق الشحنات الكهربائية. صمم الباحثون ثلاث نسخ جديدة من هذا الجزيء، وأطلقوا عليها الأسماء WH7 وWH11 وWH17. وبينما كان الهيكل الأساسي لجميع النسخ الثلاث متماثلاً، فقد قاموا بإرفاق سلاسل جانبية مختلفة بنهايات الجزيئات. فكر في هذه السلاسل الجانبية كأنها أنواع مختلفة من الملابس؛ فبعضها طويل ومستقيم، والبعض الآخر قصير ومتفرع. أراد الفريق معرفة ما إذا كان تغيير شكل وطول هذه السلاسل الجانبية سيغير كيفية تراص الجزيئات ومدى جودة أداء الخلية الشمسية الناتجة. وقد قرنوا كل جزيء جديد بمادة شريكة شائعة تسمى PTzBI لإنشاء فيلم رقيق، والذي يعمل كطبقة نشطة حيث يتم توليد الكهرباء.

كشفت الاختبارات الأولية أن شكل السلسلة الجانبية كان مهمًا بشكل كبير. فالجزيء ذو أطول سلسلة جانبية مستقيمة، WH7، حقق أفضل النتائج منذ البالبداية، حيث ولد كفاءة تحويل طاقة بلغت 6.64 في المائة. أما النسختان الأخريان، اللتان امتلكتا سلاسل جانبية أقصر أو أكثر تفرعًا، فقد أدتا بشكل أقل كفاءة بقليل، حيث بلغت كفاءتهما 6.21 في المائة و5.53 في المائة على التوالي. وافترض الباحثون أن الاختلافات في الأداء كانت ناجمة عن كيفية ترتيب الجزيئات لنفسها. فقد سمحت السلاسل الأكثر استقامة للجزيئات بالتراص معًا بشكل أكثر ترتيبًا، مما خلق مسارًا أكثر سلاسة لانتقال الكهرباء. وفي المقابل، يبدو أن السلاسل الضخمة والمتفرعة قد تسببت في تعطيل هذا النظام، مما أدى إلى تباعد الجزيئات كثيرًا عن شركائها وخلق سطح أكثر خشونة وأقل كفاءة.

ولدفع هذه النتائج إلى الأمام، طبق الفريق تقنية تسمى "التلدين ببخار المذيب". تتضمن هذه العملية تعريض الفيلم الرقيق لرذاذ لطيف من بخار المذيب، مما يسمح للجزيئات بالتمايل وإعادة ترتيب نفسها في تكوين أكثر مثالية قبل تثبيتها بالحرارة. عملت هذه الخطوة مثل الضبط النهائي للآلة الموسيقية. وبالنسبة لجهاز WH7، كان هذا العلاج تحوليًا؛ حيث قفزت الكفاءة من 6.64 في المائة إلى نسبة مذهلة بلغت 8.21 في المائة. وجاء هذا التحسن من عاملين رئيسيين: تمكن الجهاز من جمع تيار كهربائي أكبر، وحافظ على جهد أعلى. ووجد الباحثون أن الفيلم المعالج كان يمتلك سطحًا أكثر نعومة وتدفقًا أكثر توازنًا للشحنات الكهربائية. حيث استطاعت الشحنات التحرك بحرية دون أن تتعثر أو تعيد الاتحاد، وهو مشكلة شائعة حيث تلغي الشحنات الموجبة والسالبة بعضهما البعض قبل أن يمكن استخدامها.

كما قدمت الدراسة نظرة واضية حول سبب عدم أداء الجزيئين الآخرين بشكل جيد، حتى بعد المعالجة نفسها. أظهر الجزيء ذو السلاسل الجانبية الأكثر تفرعًا، WH11، عدم توازن كبير في كيفية نقل الشحنات الموجبة والسالبة. هذا الخلل يعني أن نوعًا واحدًا من الشحنات يتحرك بسرعة أكبر بكثير من الآخر، مما يؤدي إلى حدوث ازدحام مروري وزيادة احتمالية ضياع الشحنات. أما الجزيء ذو أقصر السلاسل الجانبية، WH17، فقد عانى من صعوبة في تكوين سطح ناعم حتى بعد المعالجة، مما حد من قدرته على توليد تيار كهربائي قوي. وقد أكد الباحثون هذه الملاحظات من خلال قياس خشونة أسطح الأفلام وتتبع سرعة حركة الشحنات عبرها. ووجدوا أن فيلم WH7، بعد المعالجة، كان يمتلك السطح الأكثر نعومة والأكثر توازنًا في نقل الشحنات، وهو ما ارتبط مباشرة بأدائه المتفوق.

يسلط هذا العمل الضوء على رؤية حاسمة لمستقبل الطاقة الشمسية: تفاصيل التصميم الجزيئي تهم للغاية. فمن خلال تغيير السلاسل الجانبية على أطراف الجزيئات فحسب، تمكن الباحثون من التحكم في سلوك المادة على المستوى المجهري. لقد أثبتوا أن استهداف أطراف الجزيء، وليس فقط مركزه، هو استراتيجية قوية لتحسين الكفاءة. وبينما لا تزال كفاءة 8.21 في المائة التي تم تحقيقها ليست الأعلى الممكنة لهذا النوع من التكنولوجيا، إلا أن الدراسة تثبت أن الهندسة الدقيقة لهذه السلاسل الجانبية، جنباً إلى جنب مع تقنيات المعالجة اللاحقة البسيطة، يمكن أن تفتح آفاقًا لمكاسب كبيرة. وتشير النتائج إلى أن الطريق نحو خلايا شمسية أفضل يكمن في فهم ومعالجة التفاعلات الدقيقة بين الجزيئات، وضمان تراصها بطريقة تزيد من تدفق الطاقة إلى أقصى حد.