خلايا شمسية جديدة تحقق كفاءة 30% وتعمل 1000 ساعة

تمكن باحثون صينيون من تجاوز حاجز الكفاءة البالغ 30% في الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت، بعد تطوير تقنية جديدة للتحكم في تبلور المواد أثناء التصنيع. سجل الفريق كفاءة تحويل طاقة معتمدة بلغت 30.3% في الخلايا الصلبة، و28% في النسخ المرنة.

قاد البحث كل من الدكتور غي زيي والدكتور ليو تشانغ من معهد نينغبو لتكنولوجيا وهندسة المواد (NIMTE) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (CAS). وأشاروا إلى أن هذا الإنجاز يمكن أن يُسرّع وتيرة تطوير تقنيات شمسية خفيفة الوزن وعالية الكفاءة، وأقل تكلفة وأسهل في التصنيع مقارنة بالألواح التقليدية القائمة على السيليكون.

وقال العلماء في بيان: "توفر النتائج مساراً لتحسين الكفاءة والمتانة في الأجهزة الصلبة والمرنة معاً، مما يدفع عجلة تطوير تقنيات كهروضوئية خفيفة الوزن وقابلة للتوسع".

تحدي التبلور غير المتزامن

تُعد الخلايا الترادفية المصنوعة بالكامل من البيروفسكايت من بين أكثر التقنيات الكهروضوئية الواعدة، لقدرتها على حصاد ضوء الشمس بكفاءة أعلى من الخلايا التقليدية أحادية الوصلة، وإمكانية إنتاجها عبر معالجة المحاليل في درجات حرارة منخفضة مما يخفض تكاليف التصنيع. لكن التبلور غير المتزامن يظل أحد أكبر التحديات في أغشية البيروفسكايت متعددة المكونات، حيث تتبلور أجزاء مختلفة من الأغشية بمعدلات متفاوتة أثناء الإنتاج، مسببة عيوباً هيكلية وتناقضات في التركيب تقلل الكفاءة والاستقرار طويل الأمد.

لمعالجة هذه المشكلة، صمم الفريق استراتيجية إضافات تستند إلى نظرية "الحمض-القاعدة الصلب-اللين" (HSAB)، التي تتنبأ بكيفية تفاعل الأحماض والقواعد. أدخل الباحثون إضافات مختارة بعناية في طبقات البيروفسكايت ذات فجوة الحزمة العريضة والضيقة لمزامنة عملية التنوي ونمو البلورات. لم ينجح ذلك في قمع التوزيع الرأسي غير المتجانس للطور فحسب، بل حسّن أيضاً تجانس الأغشية عبر الأجهزة. استخدم الفريق إضافات ثنائي فلورو (أوكسالاتو) بورات (DFOB⁻) للطبقات العريضة، ورباعي فلورو بورات (BF4⁻) للطبقات الضيقة.

أظهرت التحليلات الهيكلية والبصرية أن هذه الطريقة عززت نمواً بلورياً متجانساً ومنعت إعادة توزيع الهاليد، وهو ما يسبب عادةً عيوباً وتراكماً للضغط داخل الخلايا الشمسية.

كفاءة واستقرار متقدمان

أدت التحسينات أيضاً إلى رفع الأداء العام للأجهزة الترادفية. ارتفعت كفاءة خلايا البيروفسكايت ذات فجوة الحزمة العريضة من 18.5% إلى 20.1%، بينما تحسنت كفاءة الأجهزة ضيقة الفجوة من 21.6% إلى 23.3%. وعند دمجها في هياكل ترادفية أحادية الوصلة ثنائية الأطراف، بلغت كفاءة الجهاز الصلب المحسّن ذروتها عند 30.3%، بجهد دائرة مفتوحة يبلغ 2.16 فولط وعامل تعبئة 85.2%. كما حققت الخلايا المرنة نتائج قوية بكفاءة 28.2%، وقيمة معتمدة 28.0%.

أظهرت الأجهزة أيضاً استقراراً تشغيلياً قوياً، وهو العقبة الأكثر أهمية أمام التبني التجاري لخلايا البيروفسكايت الشمسية. احتفظ الجهاز الصلب المحسّن بنسبة 92% من كفاءته الأولية بعد 1000 ساعة من تتبع نقطة الطاقة القصوى، بينما حافظت الخلايا المرنة على 95.2% من كفاءتها الأصلية بعد 10,000 دورة انحناء.

تسلط هذه النتائج الضوء على إمكاناتها في التطبيقات القابلة للارتداء، وأنظمة الطاقة خفيفة الوزن، والتطبيقات الشمسية المرنة. واختتم الباحثون بالقول في بيان صحفي: "تؤسس هذه الدراسة لمبدأ كيميائي عام لتنظيم التبلور في أنظمة البيروفسكايت المعقدة تركيبياً". وقد نُشرت الدراسة في مجلة Nature Nanotechnology.