طوّر علماء ابتكارًا جديدًا من شأنه أن يطيل عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية، وفق تحديثات القطاع لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وتوصّل علماء جامعة نورث وسترن إلى طبقة واقية جديدة تعمل على إطالة عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل كبير، ما يجعلها أكثر عملية للتطبيقات خارج المختبر.

وعلى الرغم من أن خلايا البيروفسكايت الشمسية أكثر كفاءة وأقل تكلفة من الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، فإن مادة البيروفسكايت كانت حتى الآن محدودة بسبب افتقارها إلى الاستقرار على المدى الطويل.

وتُستعمل خلايا البيروفسكايت الشمسية عادةً طبقة طلاء تعتمد على الأمونيوم لتعزيز الكفاءة، وعلى الرغم من فاعليتها، تتدهور الطبقات القائمة على الأمونيوم تحت الضغط البيئي، بما في ذلك الحرارة والرطوبة.

إطالة عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية

وفق المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، طوّر باحثو نورث وسترن الآن طبقة أكثر قوة لإطالة عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية، تعتمد على الأميدينيوم.

وأظهر الطلاء الجديد خلال التجارب أنه أكثر مقاومة للتحلل بـ10 مرات مقارنةً بالطلاءات التقليدية القائمة على الأمونيوم.

والأفضل من ذلك أن الخلايا المطلية بالأميدينيوم تضاعف أيضًا عمر الخلية "تي 90"، وهو الوقت الذي تستغرقه كفاءة خلية البيروفسكايت الشمسية لتنخفض بنسبة 90% من قيمتها الأولية عند تعرُّضها لظروف قاسية.

وصرّح بين تشين، الذي شارك في الدراسة، أن الباحثين كانوا يعملون على استقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية لمدّة طويلة.

وأكد تشين أن معظم التقارير يركّز على تحسين استقرار مادة البيروفسكايت نفسها، متجاهلًا الطبقات الواقية، بحسب ما جاء في بيان صحفي أصدرته جامعة نورث وسترن.

وأضاف: "من خلال تحسين الطبقة الواقية، تمكّنّا من تعزيز الأداء العام لخلايا البيروفسكايت الشمسية".

وصرَّح ميركوري كاناتزيديس، الذي شارك في الدراسة، بأن البحث الجديد يعالج أحد الحواجز الحرجة أمام التبنّي الواسع النطاق لخلايا البيروفسكايت الشمسية: الاستقرار في ظل ظروف العالم الحقيقي.

وقال كاناتزيديس: "من خلال التعزيز الكيميائي للطبقات الواقية، طوّرنا متانة هذه الخلايا بشكل كبير دون المساس بكفاءتها الاستثنائية، ما يقرّبنا من بديل عملي ومنخفض التكلفة للخلايا الشمسية الكهروضوئية القائمة على السيليكون".

الفرق بين السيليكون والبيروفسكايت

يُعَدّ السيليكون المادة الأكثر استعمالًا في الطبقة الممتصّة للضوء بالخلايا الشمسية، وعلى الرغم من أنه متين وموثوق به، فإنه ما يزال مكلف الإنتاج، ويقترب من سقف كفاءته.

وفي البحث عن خلية شمسية أقل تكلفة وأعلى كفاءة، بدأ الباحثون مؤخرًا في استكشاف البيروفسكايت، وهي عائلة من المواد التي أظهرت إمكانات عالية الأداء وتكاليف إنتاج منخفضة في الخلايا الشمسية، ويأتي اسم "البيروفسكايت" من بنيتها البلورية.

وعلى الرغم من أنه يُظهِر وعدًا بوصفه بديلًا فعالًا من حيث التكلفة للسيليكون، فإن البيروفسكايت له عمر قصير نسبيًا؛ إذ يؤدي التعرض المطول لأشعة الشمس، والتقلبات الشديدة في درجات الحرارة، والرطوبة، إلى تدهور خلايا البيروفسكايت الشمسية بمرور الوقت.

للتغلب على هذا التحدي، أضاف الباحثون ربيطات الأميدينيوم، وهي جزيئات مستقرة يمكنها التفاعل مع البيروفسكايت لتوفير التخميل طويل الأمد للعيوب والتأثيرات الوقائية.

ولأن بُنيتها تسمح للإلكترونات بالانتشار بالتساوي، فإن جزيئات الأميدينيوم أكثر مرونة في ظل الظروف القاسية.

نتائج تطوير خلايا البيروفسكايت الشمسية

تسلّط الدراسة الجديدة، المنشورة في مجلة ساينس (Science)، الضوء على تطوير مجموعة من ربيطات الأميدينيوم، لزيادة الاستقرار الحراري لطبقات التخميل على أسطح البيروفسكايت.

(عملية التخميل أو كبت الفاعلية تهدف إلى جعل مادة ما خاملة بالنسبة لمادة أخرى، وذلك بشكل مسبق لاستعمال المادتين معًا)

وأكد الباحثون أن خلايا البيروفسكايت الشمسية الحديثة تحتوي عادةً على ربيطات الأمونيوم بوصفها طبقة تخميل، ومع ذلك، يميل الأمونيوم إلى الانهيار تحت الضغط الحراري.

ولذلك، قام الباحثون ببعض العمليات الكيميائية لتحويل الأمونيوم غير المستقر إلى أميدينيوم أكثر استقرارًا.

وجاء في البيان الصحفي: "أجرى الباحثون هذا التحويل من خلال عملية تُعرف باسم الأميدين، حيث تُستبدل بمجموعة الأمونيوم مجموعة أميدينيوم أكثر استقرارًا.. وقد منع هذا الابتكار خلايا البيروفسكايت من الانهيار بمرور الوقت، وخاصةً عند تعرُّضها للحرارة الشديدة".

وأكد الباحثون أن الخلية الشمسية الناتجة حققت كفاءة مذهلة بنسبة 26.3%، ما يعني أنها نجحت في تحويل 26.3% من ضوء الشمس الممتصّ إلى كهرباء.

كما احتفظت الخلية الشمسية المطلية بنسبة 90% من كفاءتها الأولية بعد 1100 ساعة من الاختبار في ظل ظروف قاسية، ما يدلّ على عمر "تي 90" أطول بـ3 مرات من ذي قبل عند تعرُّضها للحرارة والضوء، وفقًا للدراسة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصادر:

1. ابتكار طلاء واقٍ لإطالة عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية من الموقع الرسمي لجامعة نورث وسترن.
2. معلومات إضافية عن الابتكار من منصة "إنترستينع إنجينيرينغ".