طوّر فريق بحثي من جامعة سنغافورة الوطنية مادة مبتكرة لتعزيز استقرار الخلايا الشمسية الهجينة المكوّنة من البيروفيسكايت والسيليكون، ما يجعلها أكثر مقاومة للحرارة، وتحافظ على كفاءتها العالية لفترات طويلة.
وأوضح الباحثون أن الفريق نجح في تجاوز إحدى أكبر العقبات أمام الخلايا الشمسية الهجينة، وهي فقدان الأداء مع الزمن بسبب الحرارة، ونُشرت النتائج، الجمعة، بدورية «Science».
وتُعد الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون منتشرة على أسطح المنازل والمزارع الشمسية حول العالم، لكنها بدأت تقترب من حدود أدائها. لذلك، قام الباحثون بدمج السيليكون مع مادة واعدة تُعرف بالبيروفيسكايت لزيادة قدرة الألواح على امتصاص ضوء الشمس وتوليد الكهرباء بالمساحة نفسها. وقد وصلت كفاءة هذه الخلايا الهجينة إلى حوالي 35 في المائة، إلا أن ثباتها على المدى الطويل ظل يمثل تحدياً كبيراً.
واكتشف الفريق أن الطبقة الجزيئية الرقيقة التي تربط طبقات البيروفيسكايت والسيليكون تميل إلى التحلل تحت تأثير الحرارة، ما يؤدي إلى فقدان الأداء مع مرور الوقت.
وبناء على ذلك، صمّم الباحثون نسخة جديدة مقاومة للحرارة من هذه الطبقة، تعمل على تثبيت الطبقات معاً بشكل أقوى. ويعد الثبات على المدى الطويل أمراً بالغ الأهمية لتوافر الألواح الشمسية تجارياً، إذ تأتي معظم الألواح التقليدية بضمان يصل إلى 20 - 25 عاماً، وكان الوصول إلى مستوى مماثل من الموثوقية أحد أصعب التحديات لتصاميم الخلايا المتتالية الحديثة.
وأظهرت الدراسات السابقة أن فقدان الأداء يُعزى عادةً لمادة البيروفيسكايت نفسها، إلا أن باحثي جامعة سنغافورة الوطنية اكتشفوا أن السبب الحقيقي هو الطبقة الرقيقة المسماة «الطبقة أحادية التجميع» (SAM)، التي تساعد على نقل الشحنة الكهربائية بين الطبقات. وعند تعرضها للحرارة، تبدأ هذه الطبقة بفقدان ترتيبها المنتظم، ما يعطل تدفق الكهرباء في الخلية الشمسية.
ولتجاوز هذه المشكلة، صمم الفريق نسخة جديدة من الطبقة الجزيئية يمكنها أن «تقفل» نفسها في شبكة أكثر صلابة، حيث ترتبط الجزيئات الصغيرة كيميائياً مع بعضها أثناء الترتيب، لتكوين طبقة متماسكة تتحمل الحرارة وتحافظ على هيكلها أثناء التشغيل. وهذا التثبيت الجزيئي عزز واجهة الاتصال بين الطبقات، وساعد الخلية الشمسية بالكامل على الاحتفاظ بكفاءة عالية مع مرور الوقت.
ومع الطبقة الجديدة، حققت الخلايا الهجينة كفاءات فوق 34 في المائة، بما في ذلك 33.6 في المائة معتمدة من مركز اختبارات مستقل، ما يمنح الباحثين وشركاء الصناعة الثقة في قابلية تكرار النتائج.
وبشكل حاسم، حافظت الخلايا على أكثر من 96 في المائة من أدائها الأصلي بعد 1200 ساعة من التعرض المستمر للضوء عند 65 درجة مئوية، وهو مستوى ثبات نادر نسبياً في خلايا البيروفيسكايت، وفق الفريق.
ويخطط الفريق لاختبار النماذج الأولية تحت الظروف الاستوائية الفعلية في سنغافورة، وتوسيع حجمها لوحدات مناسبة للنشر العملي، حيث تعتد الظروف الحارة والرطبة اختباراً صارماً لتحمل المواد على المدى الطويل.
