يضيء مستقبل خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل أكثر إشراقًا

هذا هو المكان الذي تأتي فيه مادة أخرى جديدة نسبيًا في العلم - معدن هاليد بيروفسكايت.عندما يقع في وسط خلية شمسية ، فإن هذا الهيكل البلوري يحول الضوء أيضًا إلى كهرباء ، ولكن بتكلفة أقل بكثير من السيليكون.علاوة على ذلك ، يمكن تصنيع الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت باستخدام ركائز صلبة ورشيقة ، لذا ، إلى جانب كونها أرخص ، يمكن أن تكون خفيفة الوزن ومرنة.ولكن ، للحصول على إمكانات العالم الحقيقي ، تحتاج هذه النماذج الأولية إلى زيادة الحجم والكفاءة والعمر الافتراضي.

الآن ، في دراسة جديدة نُشرت في طاقة النانو، أظهر الباحثون في وحدة مواد الطاقة وعلوم السطح ، بقيادة البروفيسور يابينج تشي ، في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا بجامعة الدراسات العليا (OIST) أن إنشاء إحدى المواد الخام اللازمة للبيروفسكايت بطريقة مختلفة يمكن أن يكون مفتاحًا نجاح هذه الخلايا.

أوضح أحد المؤلفين الرئيسيين ، الدكتور Guoqing Tong ، باحث ما بعد الدكتوراه في الوحدة: "هناك مسحوق بلوري ضروري في البيروفسكايت يسمى FAPbI3 ، والذي يشكل طبقة امتصاص البيروفسكايت"."في السابق ، تم تصنيع هذه الطبقة من خلال الجمع بين مادتين - PbI2 و FAI. التفاعل الذي يحدث ينتج FAPbI3. ولكن هذه الطريقة بعيدة عن الكمال. غالبًا ما تكون هناك بقايا لإحدى المادتين الأصليتين أو كليهما ، مما قد يعيق كفاءة الخلية الشمسية ".

للتغلب على هذا ، قام الباحثون بتصنيع المسحوق البلوري باستخدام طريقة هندسة مسحوق أكثر دقة.ما زالوا يستخدمون إحدى المواد الخام - PbI2 - ولكنهم شملوا أيضًا خطوات إضافية ، والتي تضمنت ، من بين أمور أخرى ، تسخين الخليط إلى 90 درجة مئوية وتذويب أي بقايا طعام وترشيحها بعناية.هذا يضمن أن المسحوق الناتج كان عالي الجودة ومثاليًا من الناحية الهيكلية.

فائدة أخرى من هذه الطريقة هي أن استقرار البيروفسكايت زاد عبر درجات حرارة مختلفة.عندما تشكلت طبقة امتصاص البيروفسكايت من التفاعل الأصلي ، كانت مستقرة عند درجات حرارة عالية.ومع ذلك ، في درجة حرارة الغرفة ، تحول من البني إلى الأصفر ، وهو ما لم يكن مثاليًا لامتصاص الضوء.كانت النسخة المركبة بنية حتى في درجة حرارة الغرفة.

في الماضي ، ابتكر الباحثون خلية شمسية قائمة على البيروفسكايت بكفاءة تزيد عن 25٪ ، وهو ما يمكن مقارنته بالخلايا الشمسية القائمة على السيليكون.ولكن لنقل هذه الخلايا الشمسية الجديدة إلى خارج المختبر ، من الضروري زيادة حجمها واستقرارها على المدى الطويل.

قال البروفيسور تشي: "الخلايا الشمسية على نطاق المختبر صغيرة جدًا"."يبلغ حجم كل خلية حوالي 0.1 سم 2 فقط. ويركز معظم الباحثين عليها لأنها أسهل في الإنشاء. ولكن فيما يتعلق بالتطبيقات ، نحتاج إلى وحدات شمسية أكبر بكثير. كما أن عمر الخلايا الشمسية شيء نحتاج إلى الانتباه إليه. على الرغم من تحقيق 25٪ من الكفاءة سابقًا ، إلا أن العمر الافتراضي كان ، على الأكثر ، بضعة آلاف من الساعات. وبعد ذلك ، بدأت كفاءة الخلية في الانخفاض. "

باستخدام مسحوق البيروفسكايت البلوري المركب ، حقق الدكتور تونغ ، جنبًا إلى جنب مع فني وحدة البحث الدكتور داي يونغ سون والعلماء الآخرين في وحدة البروفيسور تشي ، كفاءة تحويل تزيد عن 23٪ في خلاياهم الشمسية ، لكن العمر كان أكثر من 2000 ساعة.عندما ارتقوا إلى وحدات شمسية بحجم 5 × 5 سم 2 ، ظلوا يحققون أكثر من 14 ٪ من الكفاءة.كدليل على المفهوم ، قاموا بتصنيع جهاز يستخدم وحدة شمسية بيروفسكايت لشحن بطارية ليثيوم أيون.

تمثل هذه النتائج خطوة حاسمة نحو خلايا ووحدات شمسية فعالة ومستقرة قائمة على البيروفسكايت والتي يمكن ، يومًا ما ، استخدامها خارج المختبر.قال الدكتور تونغ: "خطوتنا التالية هي صنع وحدة شمسية بحجم 15 × 15 سم 2 وبكفاءة تزيد عن 15٪"."آمل أن نتمكن يومًا ما من تشغيل مبنى في OIST بوحداتنا الشمسية."

تم دعم هذا العمل من خلال برنامج إثبات المفهوم التابع لمركز OIST للتطوير التكنولوجي والابتكار.