أخبار ar.wedoany.com، تمكن باحثون في معهد علوم الفوتونيات ببرشلونة (ICFO) من تطوير خلية شمسية عضوية ترادفية رباعية الأطراف، حققت كفاءة تحويل طاقة بلغت 16.94%، ويتمثل الابتكار الأساسي في قطب فضي بسمك 7 نانومتر فقط، أي ما يعادل حوالي واحد على ألف من قطر شعرة الإنسان.
تحظى الخلايا الشمسية العضوية باهتمام واسع نظرًا لانخفاض تكلفتها وإمكانية تصنيعها بمرونة، إلا أن كفاءة تحويلها للطاقة الضوئية إلى كهرباء ظلت متخلفة عن الخلايا القائمة على السيليكون. قيمة الكفاءة التي حققها فريق ICFO لا تتجاوز فقط الكفاءة المرجعية البالغة 6.5% للخلايا الترادفية رباعية الأطراف من النوع نفسه التي تم الإبلاغ عنها سابقًا، بل تتجاوز أيضًا الرقم القياسي الرسمي السابق البالغ 14.2% لجميع الأجهزة العضوية الترادفية (بما في ذلك التصميمات ثنائية الأطراف).
تتأثر كفاءة الخلايا الشمسية العضوية أحادية الوصلة بحقيقة أنها لا تستطيع امتصاص سوى جزء من الطيف الشمسي. الفوتونات عالية الطاقة تفقد على شكل حرارة (فقدان حراري)، بينما تخترق الفوتونات منخفضة الطاقة الخلية مباشرة (فقدان نقل)، ويضع هذان الآليان معًا حدًا أقصى لكفاءة الخلية الواحدة. يعالج الهيكل الترادفي هذه المشكلة عن طريق تكديس خليتين فرعيتين بفجوتين نطاقيتين مختلفتين، حيث يتم ضبط كل خلية فرعية لجزء مختلف من الطيف، مما يسمح بالتقاط عدد أكبر من الفوتونات. وقد تم التحقق من صحة هذا المخطط في أجهزة السيليكون والبيروفسكايت.
تكمن صعوبة تصنيع الخلايا العضوية الترادفية ثنائية الأطراف في أن الخليتين الفرعيتين تشتركان في دائرة كهربائية واحدة، مما يستلزم مطابقة دقيقة للتيار، بالإضافة إلى ضرورة أن تكون الطبقة البينية عالية الكفاءة الكهربائية والشفافية. أما التصميم رباعي الأطراف الذي اعتمده ICFO فيتجنب تمامًا مشكلة مطابقة التيار. تمتلك الخليتان الأمامية والخلفية توصيلات كهربائية مستقلة، مما يسمح للباحثين باختيار فجوة النطاق لكل خلية فرعية بناءً على الامتصاص الضوئي الأمثل فقط.
لتحقيق هذه الميزة النظرية، استخدم فريق البحث PM6:L8-BO كمزيج نشط ضوئيًا للخلية الأمامية، بينما استخدم PTB7-Th:O6T-4F، وهو مزيج ضيق الفجوة النطاقية، للخلية الخلفية لامتصاص الفوتونات تحت الحمراء. قبل التصنيع، قاموا بتحديد هيكل الجهاز الأمثل من خلال الحسابات باستخدام مزيج من المصفوفات وطرق حل المسائل العكسية. كان التحدي الأساسي في التصنيع هو القطب العلوي للخلية الأمامية. يتراوح سمك أقطاب الفضة الشفافة التقليدية عادة بين 9 و 15 نانومتر، لكن فريق ICFO تمكن من خفضه إلى 7 نانومتر. تم دمج طبقة الفضة بسمك 7 نانومتر في كومة ضوئية متعددة الطبقات تستخدم بالتناوب أكسيد التنجستن (WO₃) وفلوريد الليثيوم (LiF). يوفر هذا الهيكل نفاذية عالية في نطاق الطول الموجي من 750 إلى 1000 نانومتر، مما يسمح للأشعة تحت الحمراء بالوصول إلى الخلية الخلفية، بينما يعكس الضوء في نطاق 500 إلى 700 نانومتر إلى الخلية الأمامية، مما يعيد تدوير الطاقة التي كانت ستفقد.
عند اختبار الجهاز تحت محاكي شمسي بظروف إضاءة شمسية مقدارها شمس واحدة، وإجراء قياسات الكفاءة الكمومية، حقق كفاءة تحويل طاقة بلغت 16.94%. أشار فرانسيسكو برنال، المؤلف الأول للدراسة، إلى أن تصنيع قطب كهربائي بسمك 7 نانومتر فقط دون خسائر في الخلية الأمامية الشفافة يعد تقدمًا مهمًا في مجال الخلايا الشفافة، وأن تحقيق التوازن بين الشفافية والتوصيلية عند هذا السمك البالغ 7 نانومتر ليس له سابقة.
ينظر فريق ICFO في إمكانية تطبيق هذه التقنية على الخلايا الكهروضوئية الكيميائية، أي استخدام الطاقة الشمسية لتقسيم الماء إلى هيدروجين أو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود. تم إجراء هذا البحث في إطار مشروع SOREC2. صرح البروفيسور جوردي مارتوريل، الذي نسق البحث، أن المنهجية المستخدمة في تصميم وتحقيق الهيكل الترادفي رباعي الأطراف يمكن استخدامها لتصميم أنظمة جديدة يكون فيها التوزيع المناسب للضوء بين المكونات أمرًا بالغ الأهمية لأداء الجهاز المعني. يركز الفريق حاليًا على تحسين هذه المنهجية وتطبيقها في مجال الوقود الشمسي، بما في ذلك تحويل ثاني أكسيد الكربون واستخدامه بشكل قيم.
