الأكاديمية الصينية للعلوم: الأزرق البروسي يرفع كفاءة خلايا البيروفسكايت إلى 26.9%

أخبار ar.wedoany.com، استخدم فريق بحثي من الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) جسيمات نانوية من الأزرق البروسي (Prussian Blue, PB) لتثبيت أغشية البيروفسكايت الرقيقة من فورمأميدينيوم يوديد الرصاص (FAPbI3)، محققاً تحسيناً في الكفاءة في كل من الخلايا الشمسية البيروفسكايتية التقليدية (n-i-p) والمعكوسة (p-i-n)، مع تحسين استقرار الأجهزة. وقد نُشرت الورقة البحثية بعنوان "Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells" في مجلة 《Science》.

الأزرق البروسي مركّب قائم على الحديد، يتميز بقدرة قوية على امتصاص الضوء المرئي وخصائص كهروكيميائية. وقد استخدمه باحثون سابقاً كمحسّس ضوئي في الخلايا الشمسية الصبغية، مما أثبت قدرته على امتصاص ضوء الشمس وتوليد تيار ضوئي، لكن أداءه الكهروضوئي كان محدوداً. وفي هذه الدراسة، تحوّل الفريق البحثي لاستكشاف إمكانات تطبيقه في الخلايا الشمسية البيروفسكايتية.

في الدراسة، استُخدمت جسيمات PB النانوية كقالب بنيوي للتحكم في عملية تبلور FAPbI3، مما دفع البلورات للنمو بشكل أكثر انتظاماً، مع تثبيط الأطوار الوسيطة غير المرغوبة، وهو ما يعزز تكوّن الطور α النشط ضوئياً — وهو البنية البلورية الضرورية لامتصاص الضوء بكفاءة وتوليد الكهرباء. ووفقاً للباحثين، أدت هذه الطريقة إلى تحسين التوجه البلوري، وتقليل الإجهاد الشبكي، والحد من خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي.

صرّح المؤلف المراسل Yu Chen بأن التقدم الرئيسي في هذا البحث يتمثل في استخدام هيكل متوافق بنيوياً من الأزرق البروسي، يحافظ على وظيفته في مرحلتي تكوين الغشاء وتشغيل الجهاز: فهو يوجّه تبلور البيروفسكايت، وينظّم تحوّل أنواع الرصاص واليود الشاذة، ويحدّ من إعادة توزيع الكاتيونات في الموقع A، مما يحافظ على تجانس الإلكترونات تحت الجهد المطبّق، ويدعم وحدات كبيرة المساحة عالية الكفاءة والمستقرة.

فيما يتعلق بالتحكم في العيوب وهجرة الأيونات، حدّت جسيمات PB النانوية من تكوّن العيوب الداخلية وهجرة الأيونات في المادة، وساعدت في إعادة الرصاص المعدني وعيوب اليود المتعادلة إلى حالتها الأيونية الأصلية؛ بينما يعمل هيكلها البلوري الصلب على احتجاز الأيونات المتحركة، وخاصة السيزيوم، مما يحدّ من حركتها تحت المجال الكهربائي. ونتيجة لذلك، انخفضت كثافة العيوب، وتحسّن نقل الشحنة، وتم تثبيط فقدان الطاقة الناتج عن إعادة التركيب غير الإشعاعي.

كما رفعت الجسيمات النانوية طاقة التنشيط لهجرة الأيونات من 0.89 eV إلى 1.25 eV، مما جعل حركة الأيونات أكثر صعوبة. ويرى الباحثون أن هذه التأثيرات تساعد أغشية البيروفسكايت على مقاومة التدهور الناتج عن المجال الكهربائي والحرارة والإضاءة.

في اختبارات الأجهزة، ارتفعت كفاءة تحويل الطاقة في الخلايا التقليدية من 24.2% إلى 26.1%؛ وارتفعت في الخلايا المعكوسة من 26.0% في الأجهزة غير المعالجة إلى 26.9%، وقد تم اعتماد هذه النتيجة بشكل مستقل عند 26.2%. ويعزو الفريق البحثي هذا التحسن إلى فصل واستخلاص أكثر كفاءة للشحنات، وانخفاض إعادة التركيب غير الإشعاعي، وتثبيط هجرة الأيونات.

وبعد التوسع إلى أجهزة أكبر حجماً، بلغت كفاءة وحدة صغيرة تقليدية بقياس 6 سم × 6 سم نسبة 23.4%، مقابل 20.1% للوحدة المرجعية؛ كما حققت وحدة فرعية معكوسة بقياس 30 سم × 30 سم ومساحة فتحة 756 سم² كفاءة معتمدة بنسبة 22.9% وكفاءة مستقرة بنسبة 22.8%.

كما أظهرت اختبارات الاستقرار نتائج إيجابية. فبعد 2,500 ساعة عند 85 °م و85% رطوبة نسبية، حافظت الوحدة الصغيرة التقليدية على أكثر من 90% من كفاءتها الأولية؛ وبعد تشغيل متواصل لمدة 2,200 ساعة عند 65 °م و50% رطوبة نسبية، حافظت على أكثر من 80%.

أظهرت اختبارات التقادم المتسارع للوحدة الفرعية المعكوسة الأكبر حجماً أنه تحت إضاءة مستمرة عند 35 °م، يُقدَّر عمر T80 بحوالي سبع سنوات. ويشير T80 إلى الوقت اللازم لخسارة الخلية الشمسية أو الوحدة 20% من كفاءتها الأولية تحت ظروف تشغيل محددة. وأشار الباحثون إلى أن هذا العمر المتوقع مستخلص من اختبارات التقادم المتسارع، ولم يتم التحقق منه من خلال التشغيل الفعلي طويل الأمد.

في اختبار ميداني خارجي لمدة خمسة أشهر في مدينة تشوهاي الصينية، لم تُظهر الوحدة الفرعية المعالجة بـ PB أي تدهور "ملحوظ" في الأداء مقارنة بجهاز مرجعي تجاري من السيليكون.

وقال Yu Chen إن هذه النتائج تسلط الضوء على إمكانات المواد ذات الهياكل المفتوحة في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية، وتحقيق الإنتاج واسع النطاق، وتعزيز الموثوقية طويلة الأمد للخلايا الكهروضوئية البيروفسكايتية.