فريق بحثي إيراني يعزز كفاءة خلايا البيروفسكايت بأكثر من 20% باستخدام نسيج عشوائي

أخبار ar.wedoany.com، قام فريق بحثي إيراني بتحليل تأثير النسيج العشوائي للأسطح البينية على أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية القائمة على ميثيل أمونيوم رصاص يوديد (MAPbI₃) باستخدام إطار محاكاة كهروضوئي ثنائي الأبعاد مقترن. وقد وجد الفريق أن الشكل النسيجي شبه الجيبي يحقق أفضل توازن كهروضوئي، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة تحويل الطاقة بأكثر من 20% مقارنة بالجهاز المرجعي المسطح.

تتناول هذه الدراسة كيفية تأثير إدخال نسيج نانوي البنية في جميع طبقات الجهاز على سلوكه. يلتقط النموذج التفاعل بين التأثيرات البصرية (مثل تعزيز حصر الضوء وامتصاصه) والعمليات الإلكترونية (بما في ذلك نقل الشحنة وإعادة الاتحاد)، مما يكشف عن مسارات محتملة لاستخدام النسيج متعدد الطبقات لتحسين كفاءة الجهاز الكلية.

صرحت مريم زوقي، المؤلفة المسؤولة من جامعة تربيت مدرّس، لمجلة "بي في ماغازين" (pv magazine): "تستخدم العديد من الدراسات نسيجًا عشوائيًا أو دوريًا، لكننا قارنا بشكل منهجي بين ثلاثة أشكال عشوائية مختلفة، ووجدنا أن أداء الجهاز لا يتحدد ببساطة من خلال الخشونة أو زيادة مساحة السطح. يكمن المفتاح في المفاضلة بين تعزيز الامتصاص المفيد في طبقة البيروفسكايت وفقدان النقل الناجم عن التعرج المعتمد على الشكل." وأضافت أن الفريق يستكشف مسارات تصنيع قابلة للتوسع لإنتاج الأشكال المحددة في هذا العمل بشكل قابل للتكرار، مع التخطيط لدراسة الاستقرار طويل الأمد لهذه الأسطح البينية النسيجية.

تتضمن الدراسة المحاكية ثلاثة أشكال تمثيلية للأسطح البينية العشوائية: الشكل الهرمي، والشكل المتعرج، والشكل شبه الجيبي. يتميز الشكل الهرمي بأقل خشونة ونسبة مساحة سطحية وعمق مميز؛ بينما يوفر الشكل المتعرج مساحة سطحية أكبر وعمقًا أكبر، ولكنه يتمتع أيضًا بأعلى تعرج في النقل؛ أما الشكل شبه الجيبي فيجمع بين أكبر مساحة سطحية وأعمق ميزة مع تعرج متوسط، مما يحقق أفضل أداء كهروضوئي إجمالي.

باستخدام خلية البيروفسكايت الشمسية المسطحة كمرجع، تم استخدام نفس المواد وسماكات الطبقات في جميع الخلايا. هيكل الجهاز المحاكى هو ITO/TiO₂/MAPbI₃/CuSCN/Au، ويتكون من قطب أمامي من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بسمك 50 نانومتر، وطبقة نقل إلكترون من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بسمك 90 نانومتر، وطبقة امتصاص من MAPbI₃ بسمك 200 نانومتر، وطبقة نقل ثقوب من CuSCN بسمك 80 نانومتر، وقطب خلفي من الذهب (Au) بسمك 100 نانومتر.

أشارت زوقي: "النتيجة الأكثر إثارة للدهشة هي أن النسيج شبه الجيبي، الذي ليس الأكثر حدة ولا الأكثر انتظامًا، تفوق باستمرار على الشكلين الهرمي والمتعرج. كنا نتوقع في البداية أن الأشكال الأكثر حدة (مثل الشكل المتعرج) ستولد أعلى تيار ضوئي بسبب تشتت الضوء الأقوى." وتظهر البيانات المحددة أن الشكل شبه الجيبي يوفر أفضل توازن كهروضوئي، حيث تصل كثافة تيار الدائرة القصيرة إلى 25.1 مللي أمبير/سم² للجهاز ذي طبقة الامتصاص بسمك 200 نانومتر، وكفاءة تحويل طاقة تبلغ 21.38%، مع زيادة في Jsc بنسبة 15% مقارنة بالجهاز المرجعي المسطح.

"على الرغم من أن الشكل المتعرج يوفر بعض المزايا البصرية، إلا أنه يعاني من خسائر كهربائية أكبر، ربما بسبب زيادة التعرج والمقاومة المتسلسلة. في المقابل، يحقق الشكل شبه الجيبي الأكثر نعومة توازنًا كهروضوئيًا أفضل، مع زيادة في كثافة تيار الدائرة القصيرة بنسبة 15% وزيادة في كفاءة تحويل الطاقة بأكثر من 20%. وهذا يشير إلى أن 'المزيد من النسيج' ليس دائمًا أفضل." أضافت زوقي.

نُشرت نتائج هذه الدراسة تحت عنوان "Random textured interfaces for efficiency enhancement of perovskite solar cells" في مجلة "Results in Physics"، وشارك في البحث علماء من جامعة تربيت مدرّس وجامعة طهران في إيران.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com