Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
تُظهر هذه الدراسة أن التبخير المشترك الخالي من المذيبات يتيح إنشاء واجهة ثنائية الأبعاد/ثلاثية الأبعاد ذات تركيب عمودي في الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت/السيليكون، محققاً كفاءة قياسية بلغت 30.93% واستقراراً استثنائياً طويل الأمد من خلال التخلص من الكاتيونات العضوية الضخمة مع ضمان اتصال بلوري متماسك وكبح تشكل العيوب.
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
لطالما ركز السعي وراء طاقة شمسية أفضل على فكرة بسيطة: التقاط قدر أكبر من طاقة الشمس عن طريق تكديس مواد مختلفة فوق بعضها البعض. تخيل شطيرة حيث صُممت الشريحة العلوية لالتقاط الضوء الأزرق عالي الطاقة، بينما تلتقط الشريحة السامية الضوء الأحمر منخفض الطاقة الذي يمر عبرها. هذا هو الوعد الذي تقدمه الخلايا الشمسية الترادفية (tandem solar cells)، وتحديداً تلك التي تجمع بين بلورة اصطناعية تسمى "البيروفسكايت" مع السيليكون التقليدي. وبينما حطمت هذه التركيبة بالفعل أرقاماً قياسية في الكفاءة، لا تزال هناك مشكلة مستعصية قائمة؛ إذ تميل هذه الأجهزة مع مرور الوقت إلى التدهور، وتفقد قدرتها على توليد الكهرباء. وغالباً ما يكون الجاني مختبئاً في عمق الجهاز، عند الحد غير المرئي حيث يلتقي الطبقتان. هنا، تسمح الفجوات الصغيرة في البنية البلورية للذرات بالتجول والتفاعل، مما يؤدي إلى تفكك المادة تحت تأثير ضوء الشمس الذي وُجدت لحصاده. لسنوات، حاول العلماء سد هذه الفجوات باستخدام مواد كيميائية سائلة، لكن المذيبات الموجودة في تلك السوائل غالباً ما تذيب الطبقات الرقيقة التي يحاولون حمايتها، مما يخلق دورة من الضرر بدلاً من الإصلاح.
لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لبناء أساس أقوى وأكثر استقراراً لهذه الخلايا الشمسية دون استخدام أي سوائل على الإطلاق. فبدلاً من سكب المواد الكيميائية، استخدموا تقنية تسمى "التبخير المشترك" (co-evaporation)، وهي في الأساس طريقة جافة تعتمد على الفراغ لوضع المواد ذرة بذرة. ومن خلال التحكم الدقيق في تدفق المكونات خلال اللحظات الأولى من نمو الغشاء، أنشأوا طبقة بذرية خاصة في أسفل غشاء البيروفسكايت. هذه الطبقة هي مزيج فريد من بنيتين بلوريتين مختلفتين تتناسبان مع بعضهما البعض بشكل مثالي، مثل الطوب المتداخل، لتشكلا جسراً سلسًا للطبقة الرئيسية الماصة للشمس أعلاه. والأهم من ذلك، أن هذه الطبقة البذرية غنية بمكون محدد يملأ الفجوات الصغيرة حيث تضيع الذرات عادةً، مما يمنع التفاعلات الكيميائية المدمرة التي تؤدي إلى الفشل. ولأن العملية جافة، فهي تتجنب مشاكل الذوبان الفوضوية الناتجة عن الطرق السائلة، مما يسمح للباحثين ببرمجة التركيبة الدقيقة للمادة من الأسفل إلى الأعلى.
إن نتائج هذا النهج مذهلة. فعندما بنى الفريق خلايا شمسية باستخدام هذه الواجهة المدفونة الجديدة، حققوا كفاءة في تحويل الطاقة بلغت 30.93 بالمائة، وهي قفزة نوعية كبيرة لهذا النوع من التكنولوجيا. لكن الاختراق الحقيقي يكمن في مدى صمود الجهاز بمرور الوقت. ففي الاختبارات التي تُركت فيها الخلايا تعمل تحت ضوء ساطع في جو من النيتروجين، احتفظ التصميم الجديد بـ 90 بالمائة من أدائه الأولي بعد 1,820 ساعة. وفي المقابل، بدأت الخلايا القياسية التي تفتقر إلى هذه الطبقة البذرية الخاصة في الفشل في وقت أقصر بكثير، حيث انخفضت إلى نفس مستوى الأداء في أقل من 300 ساعة. وقد أكد الباحثون أن هذا الاستقرار يأتي من الكمال على المستوى الذري للواجهة. وباستخدام مجاهر إلكترونية قوية يمكنها رؤية الذرات الفردية، لاحظ الباحثون أن الهياكل البلورية في تصميمهم الجديد مستمرة وغير منقطعة، دون وجود فجوات تسمح للذرات بالانزلاق من خلالها. هذا الاستمرار يسمح للكهرباء بالتدفق بحرية مع إبقاء المادة في حالة مستقرة، مما يوقف عملية التدهور فعلياً قبل أن تبدأ.
كما أوضحت الدراسة لماذا أخفقت المحاولات السابقة لإصلاح هذه الواجهات. فقد اعتمدت العديد من الطرق السابقة على إضافة جزيئات كبيرة وضخمة إلى السطح لتعمل كدرع. ورغم أن هذه الجزيئات يمكنها حجب بعض الضرر، إلا أنها تعمل أيضاً كحاجز يعيق تدفق الكهرباء ويقلل من الكفاءة الإجمالية للخلية. ويتجنب الأسلوب الجديد هذه المقايضة تماماً؛ فمن خلال استخدام طبقة بذرية مكونة من نفس اللبنات الأساسية للبلورة الرئيسية، ولكن بترتيب مختلف قليلاً، أنشأ الباحثون حاجزاً يمنع الضرر دون عرقلة تدفق الطاقة. وتظهر الصور المجهرية أن الذرات في هذه الطبقة الجديدة مصطفة تماماً مع الذرات فوقها، مما يخلق مساراً سلساً وغير منقطع لانتقال الشحنة. هذا الاصطفاف يمنع تشكل العيوب التي تسبب عادةً انهيار المادة تحت تأثير الضوء والحرارة.
ولإثبات أن هذا التصميم يعمل في بيئة واقعية، طبق الفريق هذا النهج على خلية شمسية كاملة، حيث وضعوا طبقة البيروفسكايت الجديدة مباشرة فوق خلية سيليكون. ولم يكتفِ الجهاز الناتج بالأداء بمستوى عالٍ فحسب، بل أظهر أيضاً مرونة ملحوظة. تتبع الباحثون مخرجات الجهاز باستمرار، مراقبين كيفية تعامله مع إجهاد الإضاءة المستمرة. وأظهرت البيانات أن الواجهة الجديدة نجحت في كبح التغيرات الكيميائية الداخلية التي تسبب عادةً فقدان الخلايا الشمسية لقوتها. ومن خلال القضاء على نقاط الضعف عند أسفل الغشاء، أصبح الهيكل بأكمله أكثر متانة. ويشير هذا العمل إلى أن المفتاح لإطلاق الإمكانات الكاملة للطاقة الشمسية من الجيل القادم قد لا يكمن في البحث عن مواد جديدة وغريبة، بل في إتقان الترتيب الدقيق للذرات التي نمتلكها بالفعل. فمن خلال التحكم في كيفية نمو هذه المواد منذ اللحظة الأولى، يمكن للعلماء إنشاء خلايا شمسية ليست فقط أكثر كفاءة، بل مصممة لتدوم طويلاً، مما يقربنا من مستقبل تكون فيه الطاقة الشمسية قوية ومستدامة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.