جامعة سوتشو الصينية تحقق كفاءة تحويل بنسبة 27.3% لخلايا البيروفسكايت المقلوبة باستخدام طبقة ثنائية الجزيئات على الواجهة

أخبار ar.wedoany.com، تمكن فريق بحثي من جامعة سوتشو (Soochow University) الصينية من تصميم طبقة واجهة ثنائية الجزيئات لخلايا البيروفسكايت الشمسية المقلوبة، وذلك من خلال التجميع المشترك لجزيئين من مشتقات الكاربازول، محققًا كفاءة تحويل طاقة تبلغ 27.3% تحت ظروف الإضاءة القياسية. تهدف هذه الطبقة الواجهية إلى التحكم في الكيمياء والبنية على الواجهة، من خلال تثبيت الترتيب الجزيئي وتقليل العيوب والإجهادات، مما يتيح استخراج شحنات أكثر كفاءة، وبالتالي الحصول على خلايا شمسية عالية الكفاءة ومستقرة.

تعتمد خلايا البيروفسكايت المقلوبة على بنية جهاز من النوع p-i-n، حيث توجد طبقة التلامس الانتقائية للثقوب في أسفل طبقة البيروفسكايت الجوهرية، بينما توجد طبقة نقل الإلكترونات في الأعلى؛ بينما تستخدم خلايا البيروفسكايت الهالوجينية التقليدية تخطيطًا من النوع n-i-p، بترتيب معاكس تمامًا. يشير الباحثون إلى أن الطريقة ثنائية الجزيئات تهدف إلى تثبيط العيوب وعدم الاستقرار الكيميائي على الواجهة بين البيروفسكايت وطبقة النقل، من خلال تحسين الترتيب الجزيئي والتنعيم، مع تعزيز استخراج الشحنات وتقليل الخسائر غير الإشعاعية.

تتمثل الاستراتيجية البحثية في إضافة مركب 9H-كاربازول-2-يل ثلاثي فلورو الميثان سلفونات (CzOTf) إلى طبقة نقل الثقوب المصنوعة من حمض الفوسفونيك الشائع (ميثيل-كاربازول، Me-4PACz). لم يحل CzOTf محل طبقة نقل الثقوب الأصلية، بل تم تجميعه بشكل مشترك مع Me-4PACz على الواجهة بين أكسيد النيكل (NiOx) والبيروفسكايت، مندمجًا في بنية أحادية الطبقة الجزيئية. يحقق هذا الإضافة وظائف تكميلية: يحافظ Me-4PACz على تلامس انتقائي فعال للثقوب ويثبت على NiOx، بينما يعزز CzOTf التعبئة الجزيئية ويزيد من التغطية السطحية، ويقدم وظائف كيميائية إضافية من خلال مجموعة السلفونات. يشكل كلاهما معًا طبقة واجهية أكثر تجانسًا وتفاعلًا قويًا، مما يحسن الاقتران الإلكتروني وتنعيم العيوب واستقرار الواجهة. أظهر الفحص المجهري الإلكتروني الماسح (SEM) أن البيروفسكايت المرجعي المعتمد على Me-4PACz يعاني من عيوب ثقوب وعدم استمرارية واسعة النطاق على الواجهة السفلية، بينما تشكل الأغشية المعدلة بـ CzOTf طبقة واجهية أكثر كثافة وتماسكًا وتثبط الثقوب. وأشار الفريق البحثي إلى أن تعديل CzOTf يمكن أن يؤدي إلى تحرير إجهاد الشد في أغشية البيروفسكايت.

يعتمد الجهاز على بنية مقلوبة قياسية من النوع n-i-p، حيث يتم استخدام ركيزة شفافة موصلة من أكسيد القصدير المطعم بالفلور (FTO) كقاعدة، ثم طلاء طبقة نقل الثقوب من NiOx، يليها تعديل الواجهة بطبقة Me-4PACz+CzOTf المجمعة بشكل مشترك، ثم ترسيب طبقة امتصاص البيروفسكايت، وطبقة نقل الإلكترونات من الفوليرين (C60)، وطبقة عازلة رقيقة من الباثوكوبروين (BCP)، وأخيرًا إتمام التكديس بقطب خلفي من الفضة (Ag) عن طريق التبخير الحراري. أظهرت الاختبارات أن كفاءة تحويل الطاقة لهذه الخلية تبلغ 27.3%، مع جهد دائرة مفتوحة يبلغ 1.185 فولت، وكثافة تيار دائرة قصر تبلغ 26.30 مللي أمبير/سم²، وعامل تعبئة يبلغ 87.64%. بينما بلغت كفاءة الجهاز المرجعي الذي لم يستخدم الطريقة ثنائية الجزيئات 26.20%، مع جهد دائرة مفتوحة 1.172 فولت، وكثافة تيار دائرة قصر 26.05 مللي أمبير/سم²، وعامل تعبئة 85.79%. عند تكبير خلية البيروفسكايت المعدلة بـ CzOTf إلى مساحة نشطة تبلغ 766 سم²، أظهرت كفاءة تحويل طاقة تبلغ 21.54%، وجهد دائرة مفتوحة 50.93 فولت، وتيار دائرة قصر 0.4040 أمبير، وعامل تعبئة 80.20%.

فيما يتعلق بالاستقرار، حافظت خلايا البيروفسكايت الشمسية المعدلة بـ CzOTf على 92% من كفاءتها الأولية بعد 2000 ساعة من الإضاءة المستمرة. كما عملت الوحدات كبيرة المساحة المعدلة بـ CzOTf بشكل مستقر في الهواء الطلق لمدة 35 يومًا دون أي تدهور. وقد نُشرت الورقة البحثية المتعلقة بهذه البنية الجديدة للخلايا في مجلة "التقدم العلمي" (Science Advances)، تحت عنوان "اتصال ثنائي الجزيئات عبر تثبيت الواجهة يحقق أجهزة بيروفسكايت ضوئية بكفاءة 27.3%".