في 27 أبريل، حقق فريق تشنغ فاي وهو زييانغ من كلية الفيزياء والعلوم التكنولوجية بجامعة نينغبو اختراقًا رئيسيًا في فهم آلية فقدان الجهد الكهروضوئي في الخلايا الشمسية البيروفسكايتية ثنائية الأبعاد، حيث وضع الفريق نموذجًا إدراكيًا جديدًا لنقل حاملات الشحنة داخل البيروفسكايت ثنائي الأبعاد، مما يوفر مسارًا تقنيًا عمليًا للقضاء الموجه على فقدان الجهد الكهروضوئي وتحسين أداء الأجهزة الكهروضوئية ثنائية الأبعاد بشكل أكبر. وقد نُشرت النتائج ذات الصلة مؤخرًا في المجلة الأكاديمية الدولية "Nano Letters".

على مسار التحول العالمي للطاقة النظيفة، تُعتبر الخلايا الشمسية البيروفسكايتية "المرشح الأوفر حظًا" لتقنية الجيل التالي من الخلايا الكهروضوئية، نظرًا لانخفاض تكلفة تصنيعها وكفاءتها العالية في تحويل الطاقة الكهروضوئية، مما قد يقلب موازين سوق السيليكون البلوري الحالي. من بينها، البيروفسكايت ثنائي الأبعاد من نوع "Ruddlesden-Popper" يُعتبر المسار الأساسي لدفع الخلايا الشمسية البيروفسكايتية من المختبر إلى التطبيق التجاري، وذلك بفضل استقراره البيئي الفائق الذي يفوق بكثير البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد التقليدي. لكن على المدى الطويل، عانت هذه الأجهزة من "مرض مزمن" يصعب حله: فقدان كبير في جهد الدائرة المفتوحة يعيق بشكل مباشر تحسين الكفاءة، مما يبطئ من خطوات تطبيقها التجاري. إذا شُبِّهت الخلية الشمسية البيروفسكايتية بـ"محطة لتوليد الطاقة الضوئية"، فإن حاملات الشحنة الضوئية هي "سعاة البريد" المسؤولون عن نقل الطاقة الكهربائية، وفي الظروف العادية، يجب أن تسير على طول المسار للوصول إلى طرفي القطب لإتمام عملية التوليد. لكن الباحثين اكتشفوا سابقًا أن عددًا كبيرًا من "سعاة البريد" يختفون في منتصف الطريق، دون العثور على سبب اختفائهم.

لمواجهة هذا اللغز الذي حير الأوساط العلمية لسنوات، تعاون الفريق البحثي مع فريق البروفيسور كينيث غيجينو من جامعة ملبورن الأسترالية، واستخدموا مجاهر القوة الذرية وتصوير عمر الفلورة وغيرها من "الأضواء الكاشفة" النانوية لإجراء فحص شامل للبنية المجهرية للبيروفسكايت ثنائي الأبعاد. في النهاية، اكتشفوا وجود تدرجات طورية جانبية مخفية داخل الحبيبات البلورية للبيروفسكايت ثنائي الأبعاد، والتي تشكل "فخًا طاقيًا" على شكل قمع داخل الحبيبة، حيث تمتص حاملات الشحنة الضوئية أثناء انتقالها، مما يؤدي إلى استرخائها وتبديدها في مركز الحبيبة ذات فجوة النطاق الأقل، وتحولها بلا فائدة إلى حرارة، وهو ما يمثل "القناة المخفية" لفقدان الجهد التي لم تكن معروفة سابقًا.

بعد تحديد السبب، طور الفريق استراتيجية لضبط الأطوار كمضاد للمرض، حيث أجروا "عملية تجميل هيكلي" لداخل الحبيبات البلورية لغشاء البيروفسكايت ثنائي الأبعاد، لتمهيد التوزيع الجانبي للأطوار وإزالة المكامن الطاقية المخفية. أظهرت البيانات التجريبية أن جهد الدائرة المفتوحة للأجهزة الكهروضوئية المحسنة ارتفع من 1.089 فولت إلى 1.155 فولت، بينما قفزت كفاءة التحويل الكهروضوئي من 14.57% إلى 17.22%، وهو تحسن ملحوظ.

"في الماضي، كنا نعتقد أن فقدان الجهد يحدث بشكل أساسي عند حدود الحبيبات، ولم نكن نتوقع وجود 'تسرب كبير' مخفي داخل الحبيبات البلورية." يوضح تشنغ فاي، الأستاذ في كلية الفيزياء والعلوم التكنولوجية بجامعة نينغبو وقائد الفريق، "هذا الاكتشاف يعادل توجيهًا جديدًا تمامًا للمجال، ففي السابق كان الجميع يتحسسون طريقهم، والآن نحن نعرف بالضبط أين تتم إصابة الهدف الرئيسي."

"القيمة الأساسية لهذا البحث هي طرح مشكلة النقل الجانبي داخل الحبيبات على الطاولة لأول مرة." يوضح هو زييانغ، الأستاذ في كلية الفيزياء والعلوم التكنولوجية بجامعة نينغبو، هذه الفكرة لتوجيه ضبط التوزيع الطوري لا توفر اتجاهًا لتطوير خلايا البيروفسكايت عالية الكفاءة فحسب، بل توفر أيضًا مسار تحسين جديد للتطبيقات الناشئة مثل الخلايا الشمسية المرنة وتوليد الطاقة من الضوء الداخلي الخافت في المستقبل.

من المعلوم أن الفريق يعمل حاليًا على تطوير هيكل الجهاز بناءً على هذه الآلية لدفع النتائج من المختبر نحو التطبيق الصناعي. في المستقبل القريب، قد تستفيد الألواح الشمسية الرقيقة على أسطح منازل الناس، وألواح الشحن المحمولة القابلة للطي، وحتى شاشات أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء ذاتية التوليد من هذا الاختراق التكنولوجي.