فريق بحثي من أمريكا وكوريا وفرنسا يحقق كفاءة 22.36% في ألواح تعتمد على البيروفسكايت المستقر

أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي دولي عملية جديدة للتبلور في درجة حرارة الغرفة تُعرف باسم الصب البارد الانتقائي ليوديد الرصاص (SICC)، تُستخدم لتحضير خلايا وألواح شمسية من البيروفسكايت ذات بنية غير متجانسة ثنائية/ثلاثية الأبعاد (2D/3D)، ويُزعم أنها تعزز استقرار وكفاءة الأجهزة.

تتميز خلايا البيروفسكايت ثنائية الأبعاد التقليدية بثبات أعلى مقارنة بنظيراتها ثلاثية الأبعاد بفضل حماية الروابط العضوية، إلا أنها تعاني من طاقة ارتباط إكسيتونية أكبر. صرّح أديتيا د. موهيت، المؤلف المراسل من جامعة رايس، لمجلة "بي في ماغازين" (pv magazine): "لقد طورنا طريقة جديدة للتبلور في درجة حرارة الغرفة تُسمى الصب البارد الانتقائي ليوديد الرصاص (SICC)، والتي تتيح الحصول على أطوار البيروفسكايت المستقرة حركياً والتي لا يمكن تحقيقها عبر المعالجة الديناميكية الحرارية التقليدية." تنتج هذه الاستراتيجية طبقات ثنائية الأبعاد متجانسة تعزز نقل الشحنة خارج المستوى في الأجهزة ثنائية الطبقة (3D:2D)، محققة كفاءة تتجاوز 25% في الخلايا صغيرة المساحة وأكثر من 22% في الألواح الكهروضوئية كبيرة المساحة.

نُشرت الدراسة في مجلة "نيتشر سينثيسيس" (Nature Synthesis) تحت عنوان "الصب البارد الانتقائي ليوديد الرصاص للحصول على بيروفسكايت مستقر حركياً لتحقيق ألواح كهروضوئية عالية الكفاءة". أشار الباحثون إلى أن تقنية SICC تتحكم في كيمياء السلائف من خلال تصميم المذيب، مما يتيح تكوين بنى بلورية غير اعتيادية من البيروفسكايت منخفض الأبعاد، بما في ذلك طور MA₂PbI₄ المموج الذي يصعب الحصول عليه في أنظمة ميثيل الأمونيوم. وأضاف موهيت: "تعمل عملية SICC على تكوين أنواع مبسطة من يوديد الرصاص بشكل انتقائي، مما يحقق تبلوراً سريعاً وعالي النقاء الطوري دون الحاجة إلى التلدين الحراري." من خلال مزج مذيبات ذات أعداد مانحة مختلفة مثل الأسيتونيتريل وN-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، عزز الفريق بشكل انتقائي تكوين أنواع يوديد الرصاص.

على عكس البيروفسكايت ثنائي الأبعاد التقليدي منخفض قيمة n، والذي يكون أداؤه محدوداً بسبب ترتيب المستويات العازلة، توفر أغشية SICC نقلاً عمودياً فعالاً لحاملات الشحنة ومحاذاة مناسبة لنطاقات الطاقة مع البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد. وأكد موهيت: "تعمل الطبقة ثنائية الأبعاد المزروعة بتقنية SICC على تحسين جودة وتجانس البنية غير المتجانسة ثلاثية/ثنائية الأبعاد بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة، وتقليل التباطؤ، وتحسين استقرار التشغيل."

بناءً على هذه التقنية، طوّر الباحثون خلايا شمسية من البيروفسكايت بمساحة نشطة تبلغ 0.094 سم²، ويتضمن هيكل الجهاز ركيزة من أكسيد القصدير المطعم بالفلور (FTO)، وطبقة نقل إلكترونات (ETL) من أكسيد القصدير (SnO₂)، وطبقة ممتصة من البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد، وطبقة من البيروفسكايت ثنائي الأبعاد، وطبقة نقل ثقوب (HTL) تعتمد على Spiro-OMeTAD، وقطب من الذهب (Au). تم تشكيل البنية المزدوجة ثلاثية/ثنائية الأبعاد من خلال دمج طبقة بيروفسكايت ثنائية الأبعاد من يوديد الرصاص والبوتيل أمونيوم (BA₂PbI₄) عبر عملية نمو صلبة داخل المستوى، وتم ضغط البنية المزدوجة تحت ضغط 60 ميغاباسكال ودرجة حرارة تتراوح بين 60 و85 درجة مئوية.

لتوسيع النطاق، صنع الفريق وحدات مصغرة على ركائز بحجم 7.1 سم × 7.1 سم، تتكون كل وحدة من 10 خلايا فرعية متصلة بشكل متسلسل أحادي القطعة، بمساحة نشطة تبلغ 25 سم². تم تحقيق التوصيل البيني باستخدام النقش بالليزر البيكوثاني بطول موجة 532 نانومتر لعمليات P1 وP2 وP3، بعرض نقش يبلغ 25 ميكرومتر و120 ميكرومتر و110 ميكرومتر على التوالي، مما أدى إلى عامل تعبئة هندسي يصل إلى 94.36% بعد تحسين عملية النمذجة. تم اختبار الأجهزة تحت إضاءة قياسية AM1.5G بقدرة 100 ميلي واط/سم²، وحققت الخلايا صغيرة المساحة كفاءة تحويل طاقة قدرها 25.14%، بينما حققت الوحدات المصغرة بمساحة 25 سم² كفاءة 22.36%. في اختبارات الاستقرار، حافظت الوحدات المغلفة بطبقة زجاجية بسمك 1.1 مم باستخدام راتنج معالج بالأشعة فوق البنفسجية على أكثر من 90% من أدائها الأولي لأكثر من 1000 ساعة تحت تشغيل شمسي مستمر.

وخلص موهيت إلى القول: "تشير نتائجنا إلى أنه ينبغي فهم وتصميم البيروفسكايت منخفض الأبعاد كنواتج حركية، وليس كمواد ديناميكية حرارية بحتة. يوفر عملنا مساراً قابلاً للتوسع لدمج البيروفسكايت المستقر منخفض الأبعاد في الجيل التالي من الألواح الشمسية عالية الكفاءة والخلايا الكهروضوئية الترادفية."

تشمل المؤسسات المشاركة في هذه الدراسة جامعة سيول الوطنية (Seoul National University) في كوريا، والمعهد الكوري للتكنولوجيا الصناعية (Korea Institute of Industrial Technology)، وشركة فرونتير إنيرجي سوليوشن (Frontier Energy Solution - FES) الناشئة في مجال البيروفسكايت في كوريا، وجامعة رايس (Rice University) وجامعة نورث وسترن (Northwestern University) في الولايات المتحدة، بالإضافة إلى معهد الوظائف البصرية لتقنيات المعلومات (Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’Information) في فرنسا.

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