فريق صيني مشترك يحقق رقماً قياسياً في كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بمساحة 810 سم² وبنسبة 24.0%

أخبار ar.wedoany.com، تمكّن فريق بحثي مشترك بين جامعة نانجينغ (Nanjing University) وشركة رينشو للطاقة الشمسية (Renshine Solar)، المتخصصة في مجال الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت، من تصنيع وحدة شمسية من البيروفسكايت بمساحة فتحة مقدارها 810 سم²، حققت كفاءة تحويل للطاقة معتمدة بشكل مستقل بلغت 24.0%. وأفاد المؤلف المراسل كي شياو (Ke Xiao) لمجلة pv magazine بأن هذه النتيجة تمثل رقماً قياسياً عالمياً لكفاءة وحدات البيروفسكايت بهذا الحجم، وقد تم تأكيدها من قبل شركة TÜV سود (TÜV SÜD) في الصين.

تعتمد خلايا البيروفسكايت في الوحدة على مواد تخميل كيميائية مستقرة من كربوكسيلات الرصاص (LCPs) القائمة على ثنائي أوليات الرصاص (Pb(OA)₂) للتخميل. وذكر الفريق البحثي أن هذا الحل يحسّن نقل حاملات الشحنة؛ بينما تواجه مواد التخميل التقليدية القائمة على هاليدات الأمونيوم (AHPs) عند دمجها مع عملية الطلاء بالشقوق (Slot-die coating) والتجفيف اللاحق في حجرة التفريغ (VCD) مشاكل في الاستقرار الكيميائي أو الحراري أو السطحي.

ولاحظ الباحثون أن المعالجة بمواد AHPs تؤدي إلى ترسب غير متجانس وعيوب مجهرية وتغايرية ملحوظة في التلألؤ الضوئي (PL)؛ في المقابل، تولّد المعالجة بمواد LCPs أغشية رقيقة متجانسة وكارهة للماء، تتمتع بمقاومة أعلى للرطوبة والإجهاد الحراري والتدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية.

طبّق الفريق مادة LCP على أغشية البيروفسكايت ذات السطح الغني بيوديد الفورماميدينيوم (FAI)، مما شكل طبقة تخميل واضحة ومترابطة كيميائياً، توفر حماية بيئية مع الحفاظ على استخراج فعال للشحنات. وأكدت مطيافية الأشعة السينية الضوئية (XPS) الترابط الكيميائي بين LCP والسطح الغني بـ FAI؛ وأظهرت قياسات التلألؤ الضوئي تمديد عمر حاملات الشحنة من 264 نانوثانية إلى 706 نانوثانية، مما يشير إلى تقليل عيوب الواجهة وتحسين جودة التخميل. واستخدم الباحثون هذه الطريقة في التخميل لتصنيع خلايا بنوا بها وحدة بمساحة 810 سم²، دون الكشف عن التفاصيل التقنية لبنيتها.

تحت ظروف الاختبار القياسية، حققت هذه الوحدة بمساحة 810 سم² كفاءة تحويل قصوى بلغت 24.2%، وكفاءة معتمدة بشكل مستقل بلغت 24.0%؛ بجهد دائرة مفتوحة يبلغ 53.46 فولت، وتيار دائرة قصر يبلغ 0.436 أمبير، وعامل تعبئة يبلغ 83.40%. وأوضح كي شياو أن الوحدة حافظت على خرج طاقة مستقر قدره 19.4 واط تحت تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، وهي أول وحدة شمسية من البيروفسكايت تتجاوز مساحة فتحتها 800 سم² وكفاءتها 24%.

كما صنع الفريق البحثي 150 وحدة بمساحة 0.72 م²، بمتوسط طاقة إخراج يبلغ 144 واط. وحققت أفضل هذه الوحدات كفاءة معتمدة بلغت 22.0%، وطاقة إخراج قدرها 158.4 واط، مسجلة رقماً قياسياً لكفاءة الوحدات بحجم المتر؛ وعملت هذه الوحدة بشكل مستقر بقدرة تتجاوز 158 واط لأكثر من ساعتين تحت تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT).

وأضاف كي شياو أنه في اختبارات معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (International Electrotechnical Commission, IEC)، عززت مادة LCP بشكل ملحوظ متانة الوحدات. فبعد التعرض للرطوبة والحرارة لمدة 1300 ساعة، فقدت وحدات LCP 2% فقط من كفاءتها الأولية، بينما فقدت الوحدات المعالجة بـ AHPs 39% منها؛ وأظهرت وحدات LCP تدهوراً لا يُذكر بعد 300 دورة حرارية، وحافظت على 96% من كفاءتها الأولية بعد 2200 ساعة من التشغيل تحت تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، وعلى 95% من أدائها الأولي بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية.

جميع الوحدات المعدلة بـ LCP اجتازت متطلبات الموثوقية وفق معيار IEC 61215. وأظهرت المراقبة الميدانية أن إنتاجيتها النوعية من الطاقة أعلى من وحدات السيليكون ذات طبقة الأكسيد المُمرِّر (TOPCon). وخلص الفريق إلى أن الجمع بين المعالجة بضغط البخار المشبع العالي (SVP) وتخميل LCP الكيميائي المستقر يوفر مساراً صناعياً لإنتاج وحدات بيروفسكايت كهروضوئية بحجم المتر عالية الكفاءة والمتانة وقابلة للتوسع.

نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "نيتشر" (Nature) تحت عنوان "تخميل كربوكسيلات الرصاص لوحدات البيروفسكايت الشمسية بحجم المتر" (Lead carboxylates passivation for meter-scale perovskite solar modules).