الباحثون يطورون موادًا لخلايا بيروفسكايت الشمسية عالية الكفاءة للغاية

(أخبار نانويرك) قامت مجموعة من الكيميائيين من جامعة كاوناس للتكنولوجيا (KTU)، ليتوانيا بتصنيع المواد التي تم استخدامها لبناء وحدة الطاقة الشمسية البيروفسكايت غير مسبوقة، بكفاءة تبلغ 21.4 في المائة. وقد تحقق خلال كسوة طبقة الخلايا الشمسية النشطة، مما يزيد من كفاءة الخلية ويحسن ثباتها بشكل كبير. تعد خلايا البيروفسكايت الشمسية (PSCs) إحدى تقنيات الخلايا الشمسية الأسرع نموًا في العالم. هذه العناصر ذات طبقات رقيقة وخفيفة الوزن ومرنة ومصنوعة من مواد منخفضة التكلفة. ومع ذلك، لا يزال هذا النوع من الخلايا الشمسية يواجه مشكلة كبيرة من التحلل السريع لمادة البيروفسكايت في ظل الظروف البيئية.

التكسية أو التخميل هو طريقة بسيطة ولكنها فعالة لتحسين استقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية وقد عدّ أحد أكثر الاستراتيجيات فعالية لإزالة عيوب مواد البيروفسكايت وتأثيراتها السلبية. يصبح سطح البيروفسكايت المخمل أكثر مقاومة للظروف المحيطة مثل درجة الحرارة أو الرطوبة، وأكثر ثباتًا، مما يزيد من متانة الجهاز.

قام الكيميائيون في جامعة KTU ، جنبًا إلى جنب مع باحثين من مراكز العلوم في الصين وإيطاليا وليتوانيا وسويسرا ولوكسمبورغ ، بتحسين استقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية باستخدام طريقة التخميل. يصبح سطح البيروفسكايت غير ناشط كيميائيًا في أثناء التخميل، وبذلك تختفي عيوب البيروفسكايت التي تحدث في أثناء التصنيع. تحقق الخلايا الشمسية البيروفسكايت اللاحقة زيادة الكفاءة بنسبة 23.9 في المائة مع استقرار تشغيلي طويل المدى (أكثر من 1000 ساعة).

يقول المؤلف المشارك للاختراع وكبير الباحثين في جامعة KTU الدكتور كاسباراس راكشيتس ،”تم تطبيق التخميل سابقًا، ولكن حتى الآن، يتم تشكيل طبقة ثنائية الأبعاد (2D) من البيروفسكايت على امتصاص الضوء التقليدي ثلاثي الأبعاد (3D) من البيروفسكايت الذي يجعل من الصعب على الناقلات التحرك، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة. ومن الضروري تجنب ذلك لأن الخلايا الشمسية تصبح ساخنة”.

لمعالجة هذه المشكلة، أجرى فريق دولي من الباحثين دراسة قدرت الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتكوين البيروفسكايت ثنائي الأبعاد. تم تخميل سطح طبقة البيروفسكايت ثلاثية الأبعاد بواسطة أيزومرات (متشكلات الفراغية) مختلفة من يوديد فينيل إيثيل الأمونيوم المركب بواسطة KTU. هذه الأيزومرات لها نفس الصيغة الجزيئية ولكن لها ترتيبات مختلفة للذرات في الفضاء ، مما يحدد احتمال تكوين البيروفسكايت ثنائي الأبعاد.

قام باحثون من معهد لوزان الفيدرالي للتكنولوجيا (EPFL) في سويسرا باختبار المواد في وحدات بيروفسكايت الشمسية المصغرة مع مساحة نشطة تزيد 300 مرة عن خلايا بيروفسكايت الشمسية النموذجية في داخل المختبر. وقد حققت هذه الوحدات الصغيرة كفاءة قياسية في تحويل الطاقة الشمسية بلغت 21.4%. تم طلاء سطح طبقة البيروفسكايت للوحدات الشمسية المصغرة التي حطمت الرقم القياسي بمواد طورها الكيميائيون في جامعة KTU.

يقول الباحث في جامعة KTU، أثبتت الدراسة أنها فعالة جدًا في منع الآثار السلبية للتخميل على الخلايا الشمسية. لقد تم اكتشاف أن الأيزومر مع مجموعات التخميل الأقرب لبعضها البعض يؤدي إلى التخميل الأكثر كفاءة بسبب العائق الفراغي الذي يجنب من تكوين البيروفسكايت ثنائي الأبعاد. ومن المثير للاهتمام، أن هذا العائق يستخدم أيضًا كأداة في مجالات مختلفة من الكيمياء لمنع أو إبطاء التفاعلات غير المرغوب فيها.

وقد نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications بعنوان (“ضبط الايزومرات الهيكلية للفينلين دايمونيوم لتوفير خلايا ووحدات بيروفسكايت شمسية فعالة ومستقرة”)*.

وفقًا للدكتور راكشيتس: في الوقت الحالي، يعمل باحثو جامعة KTU مع زملائهم من دول أخرى لإنتاج مواد وظيفية تنقل الثقوب وتركيبات جديدة من البيروفسكايت. التعاون الدولي في العلوم أمر حيوي لأنه من المستحيل تغطية جميع المجالات مثل الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد التي تعمل في مثل هذا المجال المتعدد التخصصات.

بعد تخرجه بدرجة الماجستير في الكيمياء التطبيقية من جامعة KTU ، حصل الدكتور راكشيتس على درجة الدكتوراه من EPFL بسويسرا ، واستمر لاحقًا كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كوينزلاند بأستراليا. اليوم يعمل في جامعة KTU.

كما يقول الدكتور راكشيتس: “بعد قضاء أكثر من 6 سنوات في مؤسسات بحثية أجنبية مرموقة، قررت تحقيق أفكاري العلمية في ليتوانيا، وبالتالي المساهمة في النمو الناجح ونشر العلم في ليتوانيا. أعتقد أن العمل في بلدك يمكن أن يوفر المزيد من المعنى والإلهام وتحقيق الذات. لقد ساهم الدعم المالي الذي قدمته مؤسسة MJJ بشكل كبير في هذا القرار.

ويستطرد الدكتور راكشيتس: “هذه منطقة جذابة للغاية لأن خلايا البيروفسكايت الشمسية هي حاليًا واحدة من أسرع التقنيات نموًا، ويمكن أن يساهم تسويقها التجاري الناجح في حلول تغير المناخ”.

هذه ليست المرة الأولى التي يسجل فيها علماء جامعة KTU رقماً قياسياً عالمياً في تقنيات الطاقة الشمسية. قام الكيميائيون في جامعة KTU ، جنبًا إلى جنب مع الفيزيائيين في معهد أبحاث مركز هيلمهولتز (HZB) في برلين، بتحسين كفاءة الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من السيليكون والبيروفسكايت، التي تبلغ الآن 29.8%. إنه رقم قياسي عالمي لهذا النوع من العناصر الشمسية.

المصدر: جامعة كاوناس للتكنولوجيا – الترجمة: موقع نادي نانو

*(“Tuning structural isomers of phenylenediammonium to afford efficient and stable perovskite solar cells and modules”).