فريق سويدي ألماني يكشف عن العوائق الخفية لتحقيق كفاءة 20% في الخلايا الشمسية العضوية

أخبار ar.wedoany.com، كشف فريق بحثي دولي يضم جامعة لينشوبينغ السويدية (Linköping University)، وجامعة بوتسدام الألمانية (University of Potsdam)، ومعهد بول درود الألماني (Paul Drude Institute) عن الآليات الخفية التي تحد من أداء الخلايا الشمسية العضوية، مما قد يساعد هذه التقنية على تجاوز حاجز الكفاءة البالغ 20%.

تُصنع الخلايا الشمسية الكهروضوئية العضوية من مواد وفيرة على الأرض، وتستهلك طاقة أقل، مما يمنحها القدرة على توليد الكهرباء بتكلفة أقل من الجيلين الأولين من تقنيات الخلايا الشمسية. يتحدد أداء الخلية الشمسية بثلاثة عوامل هي: تيار الدائرة القصيرة، وجهد الدائرة المفتوحة، وعامل الملء، إلا أن تحسين أحد هذه المؤشرات غالباً ما يكون على حساب مؤشر آخر.

واجه الباحثون في مجال الخلايا الشمسية العضوية لفترة طويلة معضلة مفاضلة: فمحاولات رفع جهد الدائرة المفتوحة تؤدي غالباً إلى انخفاض عامل الملء، والعكس صحيح. ومع ارتفاع كفاءة الخلايا الشمسية العضوية إلى ما يزيد عن 20%، أصبحت هذه المعضلة أكثر صعوبة في التغلب عليها. تعاون كل من الدكتور ديتر نيهر من جامعة بوتسدام، والدكتور فنغ غاو من جامعة لينشوبينغ، والدكتورة صفا شعاعي من معهد بول درود لأبحاث الإلكترونيات الصلبة للتحقيق في الأسباب الجذرية لهذه الظاهرة.

تعاون الفريق البحثي مع خبراء آخرين في المجال لتحليل أسباب تباطؤ تحسن كفاءة الخلايا الشمسية العضوية عند المستويات العالية. أظهرت النتائج أنه في ظل ظروف معينة، يعتمد توليد الشحنات الحرة في الطبقة النشطة للخلية بشكل كبير على المجال الكهربائي في مادة أشباه الموصلات العضوية. وأشار البروفيسور نيهر، أستاذ الفيزياء في جامعة بوتسدام، إلى أن هذا يؤدي إلى قيد غير مفهوم بشكل كافٍ على عامل الملء، ويصبح بالغ الأهمية عند الحاجة إلى تقليل فقدان الجهد.

عندما يسقط ضوء الشمس على الخلية الشمسية العضوية، تتولد أزواج مرتبطة (تُعرف بالإكسيتونات) تتكون من إلكترونات سالبة الشحنة وثقوب موجبة الشحنة. يجب أن تنفصل هذه الإكسيتونات أولاً إلى شحنات حرة يمكنها توليد الكهرباء. من خلال محاكاة الخلية الشمسية بأكملها، اكتشف الفريق أن زمن بقاء الإكسيتونات والطاقة المنطلقة أثناء عملية نقل الشحنة هما العاملان الحاسمان في تحديد عامل الملء في ظل ظروف فقدان الجهد المنخفض. أثبت الفريق أن إطالة عمر الإكسيتونات يمكن أن يخفف هذه المشكلة بشكل كبير، وقاموا بتطوير تركيبات جديدة من المواد العضوية لتصنيع خلايا شمسية، حققت هذه الأجهزة عاملاً عالياً للملء مع قدرة إجمالية قوية على إنتاج الطاقة.

يرى الباحثون أن هذه النتائج توفر مبادئ تصميمية عامة لتطوير مواد وهياكل الخلايا الشمسية العضوية في المستقبل. وقد نُشرت الدراسة في دورية "نيتشر فوتونيكس" (Nature Photonics).

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