كفاءة خلايا شمسية ترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية في جامعة نانجينغ الصينية تبلغ 27.35%

أخبار ar.wedoany.com، تمكن باحثون في جامعة نانجينغ (Nanjing University) من تصنيع خلية شمسية ترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية، تعتمد خليتها الفرعية العضوية السفلية على مستقبل منخفض فجوة النطاق (LBG)، مما يعزز امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) ويقلل فقدان الجهد في الوقت نفسه.

وقال تشنغ تشينغدونغ (Qingdong Zheng)، المؤلف المراسل للورقة البحثية، إن أحد العوامل الرئيسية التي تحد من كفاءة الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية هو انخفاض كثافة التيار الضوئي الناتج عن الخلية الفرعية العضوية منخفضة فجوة النطاق مقارنة بالخلية الفرعية من البيروفسكايت واسعة فجوة النطاق (WBG). وينشأ هذا الخلل في التيار الضوئي أساساً من التداخل الكبير بين طيفي الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) للخليتين الفرعيتين قرب حد امتصاص طبقة البيروفسكايت. لذلك، فإن تطوير مستقبلات عالية الكفاءة للأشعة تحت الحمراء القريبة أمر بالغ الأهمية لتقليل التداخل الطيفي وتحسين مطابقة التيار الضوئي والارتقاء في نهاية المطاف بأداء الجهاز الترادفي.

ووفقاً للباحثين، فقد طورت أبحاث سابقة عبر استراتيجيات الهندسة الجزيئية عدة مستقبلات غير فوليرينية (NFA) لتعزيز امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة في الخلايا الشمسية العضوية منخفضة فجوة النطاق، وقد حققت الأجهزة الترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية كفاءة تحويل طاقة معتمدة تتراوح بين 22.0% و26.4%.

ولرفع الكفاءة أكثر، صمم الفريق واصطنع مستقبلاً غير فوليريني جديداً هو Zh-F بفجوة نطاق ضوئية تبلغ 1.23 eV. ويعتمد هذا المستقبل على نواة هيتروهيبتاسين (heteroheptacene) قوية الإمداد الإلكتروني، بهدف تضييق فجوة النطاق الضوئية ومد امتصاص الضوء إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

ولتقليل فقدان الجهد وتحسين الاستجابة الضوئية عند الأطوال الموجية الطويلة، دمج الباحثون Zh-F مع BTP-eC9، وهو مستقبل غير فوليريني عالي الأداء من عائلة أشباه الموصلات العضوية Y. واقترن المستقبلان مع المانح البوليمري PM6 لتكوين وصلة غير متجانسة ثلاثية تحقق امتصاصاً ضوئياً تكاملياً وترفع كفاءة الاستفادة الطيفية.

وبذلك حققت الخلية الشمسية العضوية الثلاثية PM6:BTP-eC9:Zh-F كفاءة تحويل طاقة بلغت 19.84%، وجهد دائرة مفتوحة 0.853 V، وكثافة تيار دائرة قصيرة 29.00 mA cm⁻²، مع انخفاض فقدان الجهد إلى 0.510 V.

وقال تشنغ تشينغدونغ إن إدخال Zh-F في نظام PM6 يعزز في آن واحد جمع فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة ونقل الشحنة وانفصال الإكسيتونات وحركية إعادة التركيب، ويكبح فقدان الجهد، مما يجعله مناسباً جداً للاستخدام في الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية.

وتشكل هذه الخلية العضوية مع خلية البيروفسكايت العلوية بنية ترادفية. وحققت خلية البيروفسكايت العلوية كفاءة تحويل طاقة بلغت 19.45%، وجهد دائرة مفتوحة 1.32 V، وكثافة تيار دائرة قصيرة 17.63 mA cm⁻²، ومعامل امتلاء 83.65%.

وبنى الباحثون خلية ترادفية أحادية القطعة من البيروفسكايت والمواد العضوية على ركيزة من الزجاج وأكسيد الإنديوم والقصدير (ITO). وتتكون خلية البيروفسكايت العلوية من طبقة نقل الثقوب (HTL) من أكسيد النيكل (NiOₓ)، وطبقة أحادية الجزيء ذاتية التجميع (SAM) من Ph-4PACz، وطبقة امتصاص من البيروفسكايت واسعة فجوة النطاق، وطبقة نقل الإلكترونات (ETL) من فوليرين باكمينستر (C₆₀).

وتربط طبقة الربط البيني المركبة بين الخلية الفرعية الأمامية من البيروفسكايت والخلية الفرعية الخلفية العضوية منخفضة فجوة النطاق كهربائياً. وتشمل الخلية العضوية طبقة انتقاء الثقوب Ph-2PACz، وطبقة امتصاص ضوئي عضوية نشطة، وطبقة نقل إلكترونات قائمة على المادة البينية PDIP من بيريلين ثنائي الإيميد، وقطب تلامس معدني من الفضة (Ag).

ويشكل الهيكل المذكور جهازاً ترادفياً أحادي القطعة ثنائي الطرف من البيروفسكايت والمواد العضوية: إذ تجمع الخلية الأمامية من البيروفسكايت الفوتونات الأعلى طاقة، بينما تمتد الخلية الخلفية العضوية بحصاد الضوء إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

وتحت ظروف الإضاءة القياسية، حققت هذه الخلية الترادفية كفاءة تحويل طاقة بلغت 27.35%، وجهد دائرة مفتوحة 2.16 V، وكثافة تيار دائرة قصيرة 15.35 mA cm⁻²، ومعامل امتلاء 82.39%. وبالمقارنة، بلغت كفاءة الجهاز الترادفي المرجعي الذي يستخدم مستقبلات تقليدية 25.69%.

وقال تشنغ تشينغدونغ إن الجهاز الترادفي حقق كفاءة معتمدة بلغت 26.88%، وهي أعلى كفاءة موثوقة بين الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية التي أُبلغ عنها. وإلى جانب الكفاءة، أظهر الجهاز غير المغلف استقراراً جيداً، إذ حافظ على 80% من أدائه الأولي بعد نحو 744 ساعة من الإضاءة الشمسية المستمرة.

ونُشرت النتائج ذات الصلة تحت عنوان «تحقيق كفاءة 27.35% في خلايا شمسية ترادفية من البيروفسكايت والمواد العضوية عبر تحسين امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة بمستقبل منخفض فجوة النطاق» في مجلة Joule.

وفي يونيو 2025، أعلن باحثون في معهد سنغافورة لأبحاث الطاقة الشمسية (SERIS) أنهم حققوا كفاءة تحويل طاقة بلغت 26.4% بالبنية نفسها.