اكتشف فريق من مهندسي كلية جورج آر براون للهندسة في جامعة رايس، بقيادة مهندس الكيمياء والجزيئات الحيوية أديتيا موهيت، حلًا لمشكلة تصنيع خلايا شمسية مستقرة وفعالة من مادة البيروفسكايت، وهو نوع من المعادن يُستخدم في صناعة الخلايا الشمسية منذ 2009.
تضمن الاكتشاف إيجاد تصميم المذيب الصحيح لتطبيق طبقة علوية ثنائية الأبعاد بالتركيب والسماكة المرغوبين، دون إتلاف الطبقة السفلية ثلاثية الأبعاد للخلية الشمسية، على هذا تستطيع الخلية تحويل المزيد من ضوء الشمس إلى كهرباء مع استقرار أفضل.
البيروفسكايت مادة ذات تركيب كريستالي لها خواص مثيرة للاهتمام، مثل فعاليتها في حصد الطاقة أو الضوء، لكن قدرتها تتأثر عندما تتعرض للرطوبة والحرارة. عمل موهيت وآخرون لسنوات على جعل خلايا البيروفسكايت الشمسية عملية ومستقرة.
أعلن موهيت نجاح مختبره في بناء خلايا شمسية هجينة رقيقة ثلاثية وثنائية الأبعاد، توفر كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 24.5٪، هذه الكفاءة تعادل كفاءة معظم الخلايا الشمسية المتاحة تجاريًا. ذلك جيد بالنسبة إلى الخلايا المرنة ثنائية الوجه، إذ يأتي الضوء من كلا الجانبين، وأيضًا للخلايا الملامسة للخلف. يمتص البيروفسكايت ثنائي البعد الفوتونات الزرقاء والمرئية، ويمتص الجانب ثلاثي الأبعاد الأشعة تحت الحمراء القريبة.
قال موهيت إن من الصعوبات الرئيسية إنشاء طبقة ثنائية معالجة بالمحلول عندما تكون كلتا الطبقتين من المادة ذاتها، إذ تذوبان في ذات المذيبات. عندما نضع طبقة ثنائية الأبعاد فوق طبقة ثلاثية الأبعاد، فإن المذيب يدمر الطبقة السفلية، لكن الحل الذي قدمه الفريق عالج ذلك.
تُستخدم معالجة المحلول على نطاق واسع في الصناعة، وتتضمن مجموعة من التقنيات، مثل الطلاء بالدوران وبالغمس وبالشفرة وطلاء الفتحة وغيرها، لوضع المواد على السطح في سائل، عندما يتبخر السائل، يبقى الطلاء الخالص.
قال موهيت إن خلايا البيروفسكايت ثنائية الأبعاد مستقرة لكنها أقل كفاءة في تحويل ضوء الشمس، أما مادة البيروفسكايت ثلاثية الأبعاد فهي أكثر كفاءة وإن كانت أقل استقرارًا، على هذا فإن الجمع بينهما يتضمن أفضل الميزات لكليهما، ما يؤدي إلى كفاءات عالية جدًا في إنشاء طبقات ذات تحكم هائل في تدفق الشحن والطاقة، ليس فقط للخلايا الشمسية، ولكن أيضًا للأجهزة الإلكترونية الضوئية ومصابيح الليد.
تعادل كفاءة خلايا الاختبار في المختبر 100% من ضوء الشمس لأكثر من 2000 ساعة، ولا تنقص حتى بنسبة 1%، وسماكتها نحو 1 ميكرون دون احتساب الركيزة الزجاجية.
المفتاح هو التوازن بين خاصيتين للمذيب: ثابت العزل الكهربائي ورقم مانح جوتمان. ثابت العزل هو نسبة النفاذية الكهربائية للمادة إلى مساحتها الحرة، يحدد ذلك مدى قدرة المذيب على إذابة المركب الأيوني. ورقم المانح هو مقياس لقدرة جزيئات المذيب على منح الإلكترون.
قال موهيت: «إذا أوجدت العلاقة بينهما، فستجد نحو أربعة مذيبات تسمح لك بحل البيروفسكايت وطلائها بالدوران دون تدمير الطبقة ثلاثية الأبعاد».
وقال إن اكتشافهم يتوافق مع التصنيع على نطاق واسع، الذي ينتج عادةً 30 مترًا من الخلايا الشمسية في الدقيقة.
قال المؤلف المشارك جاكي إيفن، أستاذ الفيزياء في المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا في رين، فرنسا: «يقود هذا الإنجاز لأول مرة إلى هياكل غير متجانسة للبيروفسكايت تحتوي على أكثر من طبقة نشطة، إن حلم هندسة المعمارية المعقدة لأشباه الموصلات مع البيروفسكايت على وشك أن يتحقق، ستكون التطبيقات الجديدة واستكشاف الظواهر الفيزيائية الجديدة هي الخطوات التالية».
وقال موهيت: «لهذا الإنجاز آثار ليس فقط على الطاقة الشمسية ولكن أيضًا على الهيدروجين الأخضر، مع الخلايا التي يمكنها إنتاج الطاقة وتحويلها إلى هيدروجين، يمكن أيضًا تمكين الطاقة الشمسية غير الشبكية للسيارات والطائرات دون طيار والخلايا الكهروضوئية المتكاملة المستخدمة في البناء أو حتى الزراعة».
اقرأ أيضًا:
ما سبب محدودية كفاءة الألواح الشمسية ؟
هل نحن أمام ثورة ستضاعفة قدرة تخزين الطاقة الشمسية لآلاف المرات؟
ترجمة: تسنيم فندقلي
تدقيق: مهدي أعور
