Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range
تُظهر هذه الدراسة أن تخليق البيروفسكايت الكالكوجينيدي BaTi(O₁₋ₓSₓ)₃ عبر كبرتة BaTiO₃ باستخدام CS₂ في درجات حرارة مرتفعة يؤدي إلى إحداث انتقال هيكلي من النظام الرباعي إلى السداسي ويقلل فجوة النطاق إلى نطاق شوكلي-كويسر الأمثل البالغ 1.47 إلكترون فولت.
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
على مدار نصف قرن، ظل العلماء يبحثون عن طريقة أفضل لالتقاط طاقة الشمس. وبينما خدمت الألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون البشرية بشكل جيد، يبحث الباحثون باستمرار عن مواد تكون أقل تكلفة في التصنيع، وأسهل في الإنتاج، وقادرة على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة أكبر. وتعد عائلة المواد هذه، التي تُسمى "البيروفسكايت"، واحدة من المواد الواعدة لهذه المهمة؛ وهي عبارة عن بلورات ذات بنية محددة ومتكررة يمكن ضبطها لامتصاص الضوء بفعالية كبيرة. ومع ذلك، فإن أشهر أنواع البيروفسكايت المستخدمة اليوم تحتوي على الرصاص، وهو معدن سام يشكل مخاطر صحية وبيئية، كما أنها غالبًا ما تتحلل عند تعرضها للرطوبة أو الحرارة. ولحل هذه المشكلة، يستكشف العلماء نوعًا مختلفًا من البيروفسكايت المصنوع من عناصر وفيرة وغير سامة، وبالتحديد يبحثون في مركبات تمزج الأكسجين مع الكبريت. والهدف هو إيجاد مادة مستقرة وآمنة، وتمتلك القدرة المناسبة لامتصاص الضوء لتشغيل الجيل القادم من الخلايا الشمسية.
في دراسة حديثة، وضع باحثون من الجامعة المستقلة في زاكاتيكاس بالمكسيك هدفًا يتمثل في ابتكال واختبار إحدى هذه المواد الجديدة، وهي بلورة تُسمى "أوكسي سلفيد تيتانيوم الباريوم". لقد بدأوا بمسحوق شائع ومستقر يُعرف باسم "أكسيد تيتانيوم الباريوم"، وأخضعوه لمعالجة حرارية عالية في فرن خاص. وبدلاً من مجرد تسخين المسحوق، أدخلوا بخارًا من "ثاني كبريتيد الكربون"، وهو مادة كيميائية تعمل كمصدر للكبريت. ومن خلال تسخين الخليط عند ثلاث درجات حرارة مختلفة — 600 و700 و800 درجة مئوية — هدفوا إلى استبدال بعض ذرات الأكسجين في البلورة بذرات الكبريت. أراد الباحثون معرفة كيف يغير تغيير الحرارة البنية الداخلية للمادة وقدرتها على امتصاص الضوء، آملين في إيجاد التوازن المثالي لتطبيقات الطاقة الشمسية.
أظهرت النتائج أن درجة الحرارة كانت المفتاح للتحكم في تركيب المادة. فمع زيادة الحرارة، نمت كمية الكبريت في البلورة النهائية بشكل ملحوظ. فعند أدنى درجة حرارة (600 درجة مئوية)، احتوت المادة على حوالي 14.6 بالمائة من الكبريت من حيث الكتلة. وعند رفع درجة الحرارة إلى 700 درجة، ارتحت نسبة الكبريت إلى 18.2 بالمائة، وعند أعلى درجة حرارة (800 درجة مئوية)، وصلت إلى 20.2 بالمائة. ولم يكن هذا التحول مجرد مسألة إضافة المزيد من الكبريت فح، بل غير شكل البلورة بشكل جوهري. فقد كانت المادة الأصلية ذات بنية "رباعية الأضلاع" (tetragonal)، وهي ترتيب هندسي محدد للذرات. ومع استبدال المزيد من الأكسجين بالكبريت، تحولت البلورة ببطء إلى بنية "سداسية" (hexagonal)، وهي شكل هندسي مختلف أكثر استقرارًا لهذا النوع من المركبات. وكانت العينات التي عولجت عند درجات الحرارة الأعلى هي الأكثر نجاحًا، حيث أظهرت بنية سداسية نظيفة ومنظمة جيدًا دون أي أثر للشكل الأصلي المتبقي.
وبعيدًا عن مجرد تغيير الشكل، أدت المعالجة الحرارية إلى تحسين جودة البلورات. وقد قاس الباحثون حجم البلورات الصغيرة الفردية، المعروفة باسم "البلورات الدقيقة" (crystallites)، ووجدوا أنها تنمو بشكل أكبر مع زيادة درجة الحرارة. فالعينة المصنوعة عند 600 درجة كانت ذات بلورات أصغر وأقل تنظيمًا، بينما كانت العينة المصنوعة عند 800 درجة ذات بلورات أكبر وأكثر مثالية في التكوين. ويشير هذا إلى أن الحرارة العالية تساعد الذرات على ترتيب نفسها بشكل أكثر ترتيبًا، مما يقلل من الإجهاد الداخلي ويخلق مادة أقوى وأكثر تجانسًا. كما حلل الفريق الروابط الكيميائية داخل المادة باستخدام تقنيات تعتمد على الضوء، وأكدوا أن ذرات الكبريت والأكسجين قد دُمجت بنجاح في الشبكة البلورية، مكونة الروابط الجزيئية المحددة التي كانوا يبحثون عنها.
ومع ذلك، كان الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بكيفية تفاعل المادة مع الضوء. فلكي تعمل الخلية الشمسية بكفاءة، يجب أن تمتلك المادة التي تُصنع منها "فجوة نطاق" (band gap)، وهي مقدار الطاقة المحدد المطلوب لتحرير إلكترون وإنشاء تيار كهربائي. فإذا كانت هذه الفجوة واسعة جدًا، ستفقد المادة الكثير من طاقة الشمس؛ وإذا كانت ضيقة جدًا، فستبدد الطاقة على شكل حرارة. والنطاق المثالي للخلايا الشمسية هو نافذة ضيقة تتراوح بين 1.1 و1.7 إلكترون فولت. ووجد الباحثون أنه من خلال زيادة درجة الحرارة ومحتوى الكبريت ببساطة، يمكنهم ضبط فجوة النطاق هذه بدقة. فقد كانت المادة المصنوعة عند 600 درجة تمتلك فجوة نطاق قدرها 1.53 إلكترون فولت. ومع زيادة الحرارة إلى 700 ثم 800 درجة، ضاقت فجوة النطاق لتصل إلى 1.51 وأخيرًا إلى 1.47 إلكترون فولت. وتقع هذه القيمة النهائية تمامًا ضمن النطاق الأمثل لتحويل الطاقة الشمسية.
تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن هندسة مادة شمسية جديدة غير سامة من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة أثناء عملية التصنيع. لقد أثبت الباحثون قدرتهم على تحويل أكسيد شائع إلى "بيروفسكايت" غني بالكبريت ببنية بلورية وخصائص امتصاص للضوء مناسبة للغاية للخلايا الشمسية. ورغم أن المادة ليست بعد منتجًا نهائيًا جاهزًا لخطوط المصانع، إلا أن هذا العمل يوفر خارطة طريق واضحة لكيفية إنشاء هذه البلورات. ومن خلال إظهار أن درجات الحرارة الأعلى تؤدي إلى مزيد من الكبريت، وتنظيم بلوري أفضل، وفجوة نطاق مضبوطة تمامًا لالتقاط ضوء الشمس، تقدم الدراسة مسارًا قابلًا للتطبيق نحو تطوير الجيل القادم من تكنولوجيا الطاقة الشمسية النظيفة والفعالة والآمنة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.