جامعة لاكورونيا الإسبانية تكشف أن طبقة التلامس الفضية تسبب تدهور خلايا البيروفسكايت الشمسية في المراحل المبكرة من التصنيع

أخبار ar.wedoany.com، كشفت دراسة دولية شارك فيها فريق udcsolids التابع لمركز الكيمياء والبيولوجيا متعدد التخصصات (CICA) بجامعة لاكورونيا الإسبانية (Universidade da Coruña) أن خلايا البيروفسكايت الشمسية تشهد تفاعلات كيميائية وحركة أيونية بين طبقاتها الداخلية أثناء عملية التصنيع، وأن بعض مواد التلامس المعدنية شائعة الاستخدام قد تتسبب في تدهور الخلية منذ المراحل الأولى من الإنتاج.

تتناول هذه الدراسة أحد العوائق التي تواجه التسويق التجاري لخلايا البيروفسكايت الشمسية. وقد أعاد فريق البحث إنتاج الواجهات الداخلية للخلية في ظل ظروف شديدة التحكم، وحلّل التغيرات الفيزيائية والكيميائية طبقةً تلو الأخرى أثناء عملية التجميع. وأظهرت النتائج وجود حركة أيونية داخل الجهاز، بالإضافة إلى تفاعلات كيميائية قادرة على تغيير بنية البيروفسكايت، وهي المادة الأساسية المسؤولة عن امتصاص الضوء وتوليد الكهرباء.

قام فريق البحث ببناء جهاز نموذجي على بلورة مفردة من بيروفسكايت يوديد الرصاص، حيث تم ترسيب الطبقات الوظيفية الشائعة تباعاً بواسطة التبخير الحراري: طبقة ناقلة للإلكترونات عضوية، وطبقة عضوية تعمل كحاجز، وطبقة فضية تعمل كتلامس معدني. أظهرت القياسات الطيفية أن هذه الطبقات تعيد ضبط مستويات الطاقة عند تلامسها، وهي عملية تسهّل نقل الشحنات.

فيما يتعلق بالاستقرار، تُشكّل الطبقات العضوية واجهات كيميائية مستقرة، لكن الفضة تعمل على تدهور البيروفسكايت وتوليد رصاص معدني. وأكدت الدراسة أن الحاجز العضوي السميك بما فيه الكفاية يمكن أن يخفف من هذا التدهور، حيث يعمل كطبقة واقية ويحتجز جزءاً من الفضة. ومع ذلك، لا تزال مادة النقل تسمح بمرور أيونات الرصاص واليود، التي تهاجر من البيروفسكايت إلى التلامس المعدني وتتراكم هناك.

يتيح استخدام البلورة المفردة دراسة الاستقرار الذاتي للبيروفسكايت، مما يقلل إلى أدنى حد من تأثير العيوب والحدود الحبيبية الموجودة في الأغشية الرقيقة. كما تشير الدراسة إلى أن التدهور يحدث أثناء عملية التجميع، دون الحاجة إلى التعرض للبيئة الخارجية، ويؤثر أيضاً على أنواع أخرى مماثلة من البيروفسكايت.

تؤكد هذه الدراسة على ضرورة حماية الطبقة الماصة للضوء، ووضع استراتيجيات تمنع هجرة الأيونات وتحافظ على محاذاة مستويات الطاقة المواتية. وقد أثبتت الدراسة أن بعض الطبقات الواقية يمكنها الحد من جزء من عمليات التدهور هذه، مما يوفر معلومات مفيدة لتصميم أجهزة أكثر استقراراً ومتانة.

أشار ألبرتو غارسيا إلى أنه لتطبيق هذه النتائج على صناعة الطاقة الكهروضوئية، ينبغي أن تولي عملية تصنيع ألواح خلايا البيروفسكايت الشمسية من نوع p-i-n الأولوية لتحسين سماكة الطبقات، حيث أثبتت الدراسة أن ذلك أمر بالغ الأهمية لمنع التدهور. كما أوصى المصنّعين بتطوير طبقات نقل أقل نفاذية للتخفيف من هجرة الأيونات، وهي عملية تدهور تبدأ حتى أثناء تجميع الطبقات العلوية.

وأوضح غارسيا أن التصميم الصناعي سيتجه نحو تحكم أكثر صرامة في الواجهات، لتعظيم إعادة المحاذاة المواتية لمستويات الطاقة بين مواد التلامس، مما يحسّن الكفاءة والاستقرار التشغيلي على المدى الطويل. وأشار إلى أنه لا يعلم حالياً بوجود أي شركة صناعية تواصلت مع الجامعة لبحث التطبيقات الصناعية لهذه النتائج.

وخلُص غارسيا إلى أن هذه النتائج تُظهر أن طريقة تصنيع الجهاز لها تأثير مباشر على أدائه وعمره الافتراضي. وفي المستقبل، سيكون من المهم تحسين الطبقات المكوّنة للجهاز، والتحكم بشكل أفضل في الواجهات بين المواد المختلفة، وتطوير هياكل أكثر استقراراً للحد من عمليات التدهور، وكل ذلك من شأنه أن يسهم في الحصول على أجهزة أكثر كفاءة ومتانة وموثوقية.

أُنجزت هذه الدراسة بالتعاون بين جامعة لاكورونيا وجامعة أوبسالا السويدية (Uppsala University)، ونُشرت في المجلة العلمية "ESS Solar" تحت عنوان "Energetics and chemistry at electron selective interfaces for p-i-n perovskite solar cells: an in situ investigation" (الطاقة والكيمياء عند الواجهات الانتقائية للإلكترونات في خلايا البيروفسكايت الشمسية من نوع p-i-n: دراسة في الموقع).