فريق بحثي صيني من جامعة خبي للتكنولوجيا وغيرها يحقق كفاءة 27.39% لخلايا البيروفسكايت الشمسية عبر استراتيجية جزيئية جديدة

أخبار ar.wedoany.com، اقترح فريق بحثي من جامعة خبي للتكنولوجيا وجامعة جياشينغ نانهو (Jiaxing Nanhu University) وجامعة تيانجين استراتيجية تصميم جزيئي تعرف باسم "الاستخلاب ثنائي الموقع الموجه فراغيًا" (SGDC) لخلايا البيروفسكايت الشمسية. وقد مكّنت هذه الاستراتيجية، من خلال تقليل العيوب في أغشية البيروفسكايت الرقيقة، من رفع كفاءة الخلايا المخبرية إلى 27.39%، وتحقيق كفاءة تحويل طاقة تتجاوز 22% في وحدات ثنائية الوجه بمساحة أكبر من 150 سنتيمترًا مربعًا.

تترك أغشية البيروفسكايت الرقيقة عيوبًا دقيقة على السطح وعند حدود الحبيبات وفي الواجهة السفلية المدفونة أثناء عملية التبلور السريع. وأوضح تشن كونغ، المؤلف الأول للدراسة، أن الإضافات الجزيئية يمكنها التخفيف من هذه العيوب، لكن التصميم يجب أن يحقق توازنًا دقيقًا: فالتفاعلات القوية مفيدة لتعطيل العيوب، غير أن التكدس الجزيئي المفرط أو تكوين طبقة واجهة عازلة قد يعيق نقل الشحنات. ومن هنا، يوفّر هندسة الإضافات مسارًا عمليًا لتعطيل عيوب الإلكترونات بالتزامن مع تنظيم التبلور، حيث ينبغي للإضافة المثالية أن تجمع بين الارتباط القوي بالعيوب وعدم إعاقة نقل الشحنات، ويفضل أن توفر للجهاز حماية إضافية من الإجهاد البيئي.

يتكون التصميم الجزيئي SGDC الذي اقترحه الفريق من هيكل أدمانتان ثلاثي الأبعاد صلب يحمل ذراعي تنسيق من حمض الكربوكسي ميثيل، مما يتيح استخلابًا قويًا لأيونات الرصاص ضعيفة التنسيق (Pb²⁺) مع ضبط التكدس الجزيئي الموضعي فراغيًا. الإضافة الجزيئية القائمة على الأدمانتان التي استخدمها الباحثون تُعرف باسم ADA-DA، حيث يمكن لذراعي الكربوكسي ميثيل الارتباط في وقت واحد مع أيونات Pb²⁺ ضعيفة التنسيق، بينما يعمل النواة الصلبة ثلاثية الأبعاد للأدمانتان على التحكم في التكدس الجزيئي وتجنب الازدحام المفرط عند الواجهات. وأوضح تشن أن هذا المزيج يحقق استخلابًا ثنائي الموقع موجهًا فراغيًا، يمكنه تعطيل العيوب بقوة دون إعاقة نقل الشحنات؛ وأكدت القياسات التجريبية أن ADA-DA يُظهر تفاعلات قوية مع كل من أيونات الرصاص وأيونات اليود.

تتميز أغشية البيروفسكايت المحضرة بهذه الاستراتيجية بحبيبات أكبر وحدود حبيبات أقل، بالإضافة إلى مورفولوجيا أكثر كثافة ونعومة. تتوزع جزيئات ADA-DA في جميع أنحاء طبقة البيروفسكايت، مع تركيز تفضيلي على السطح وعند حدود الحبيبات، أي في المناطق الأكثر احتياجًا للتعطيل. وأظهرت القياسات الكهربائية انخفاضًا كبيرًا في كثافة مصائد الإلكترونات والثقوب.

الأجهزة التي صنعها الفريق البحثي ذات بنية مقلوبة من نوع p-i-n، وتتكون من ركيزة ITO، وطبقة نقل ثقوب مكوّنة من أكسيد النيكل (NiOₓ) وطبقة أحادية الجزيئات ذاتية التجميع، وطبقة البيروفسكايت الماصة للضوء، وطبقة نقل إلكترونات من الفوليرين (C60)، وطبقة عازلة من الباثوكوبروين (BCP)، وإلكترود فضي. وقد تم ترسيب غشاء البيروفسكايت المدمج مع ADA-DA عبر عملية تبلور بالتبخير الومضي الفراغي. وتحت ظروف الإضاءة القياسية، بلغت كفاءة تحويل الطاقة للأجهزة 27.39%، مقارنة بـ 26.24% للخلايا المرجعية التي لم تستخدم هذه الاستراتيجية. وأفاد الفريق البحثي بأن هذه النتيجة حصلت على اعتماد من جهة خارجية مستقلة لم يُكشف عن اسمها.

في تجارب التوسع، قام الفريق بتطوير الخلايا المعدّلة بـ ADA-DA إلى وحدات مصغرة ثنائية الوجه، باستخدام إلكترودات شفافة من ITO أو أكسيد الإنديوم والزنك (IZO) على الوجهين. وحققت وحدة مكوّنة من 13 خلية بمساحة 163.93 سنتيمترًا مربعًا كفاءة تحويل طاقة قصوى بلغت 22.21% عند إضاءتها من جانب الزجاج/ITO، بينما حققت وحدة مكوّنة من 12 خلية بمساحة 151.32 سنتيمترًا مربعًا كفاءة قصوى بلغت 22.33% عند إضاءتها من جانب IZO. وأشار تشن إلى أن البنية ثنائية الوجه تجمع بين الكفاءة العالية والشفافية وخصائص الاستضاءة من الوجهين، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV).

في اختبارات الاستقرار، عملت وحدة ADA-DA بمساحة 151.32 سنتيمترًا مربعًا لأكثر من 5000 ساعة تحت إضاءة مستمرة من مصابيح LED بيضاء، حيث انخفضت طاقة الخرج من 1028.5 ملي واط إلى 1024.1 ملي واط، محافظة على 99.6% من قيمتها الأولية. وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "Joule" تحت عنوان "Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules".