تعديل بسيط يمنح الخلايا الشمسية عمراً أطول بتكلفة أقل

باحثو «كاوست» يحققون مستويات غير مسبوقة لتحسين كفاءتها

أثبت باحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، أن خلايا البيروفسكايت الشمسيّة المعكوسة ذات الأمد التشغيلي الأطول، يمكنها تحقيق معدّلات كفاءة تقارب تلك التي تحققها خلايا البيروفسكايت الشمسية التقليديّة، التي تتميز بكفاءتها العالية لكن تعيبها الهشاشة.
وقد يقود هذا الكشف إلى تطوير ألواح بيروفسكايت شمسية تضاهي في أعمارها التشغيلية وكفاءة التقاطها للضوء، ألواح السيليكون الشمسية التقليديّة، إلا أن ما يميز الألواح الجديدة أنها أكثر بساطة، وأقل استهلاكًا للطاقة، وأقل تكلفة.
وجدير بالذكر أن مواد البيروفسكايت خطفتْ الأضواء مؤخرا كبديل واعد لصُنع خلايا شمسيّة؛ نظرًا لقدرتها على جمع الطاقة بكفاءة تكاد تضاهي خلايا السيليكون الشمسيّة التقليدية، كما أنها قد تكون أرخص وأسهل في الإنتاج. وتعتبر البيروفسكايت مادة مركبة ذات تركيب بلوري وتتكون نتيجة لتفاعل كيميائي خاص ولها من الإمكانيات التي تجعلها البديل القادم عن الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون.
إلا أن التحدي الأكبر الذي يواجه العلماء ويجعل خلايا البروفسكات لا تجد طريقها الأمثل بشكل واسع وتجاري إلى أسطح المنازل ومحطات توليد الطاقة، هو في عدم استقرار المواد المكونة لتلك الخلايا، وهو الأمر الذي يجتهد فيه العلماء لإيجاد حل لهذا التحدي.
وفي المختبرات، شهدت الخلايا الشمسية المعتمدة على هاليد البيروفسكايت الفلزية طفرة في معدلات كفاءة تحويل الطاقة؛ إذ قفزت من 3.8 في المائة إلى 25.2 في المائة في غضون عقد واحد فقط.
وللتّفرقة بين خلايا البيروفسكايت الشمسيّة المعكوسة ذات العمر التشغيلي الأطول ومثيلاتها التقليديّة، يقول البروفيسور عثمان بكر، أستاذ هندسة وعلوم المواد، والباحث في مركز «كاوست» للحفز الكيميائي، الذي قاد هذا المجهود البحثي: «تقدّم خلايا البيروفسكايت الشمسية التقليديّة، والمكونة من طبقات مرتبة في ما يطلق عليه (بنية ’n-i-p‘)، أعلى معدلات للكفاءة. غير أن هذه الأجهزة تتطلب عوامل إشابة أيونية، وهي عناصر غير مستقرة وتقلل من عمر الألواح الشمسية». وعوامل الإشابة هي عناصر كيميائية تضاف بتراكيز منخفضة جداً من أجل تغيير الخصائص الكهربائية أو البصرية للمواد المضاف إليها.
من جهته، يقول الدكتور شاوبينج تشنج، الباحث الأول في الدراسة: «لا تحتاج خلايا البيروفسكايت المعكوسة ’p-i-n‘ إلى عوامل الإشابة غير المستقرة لإطالة عمرها التشغيلي. غير أن معدلات كفاءتها تقل كثيرًا عن تلك التي تُحرزها الأجهزة ذات البنية التقليدية». ومن الجدير بالذكر أن كفاءة أفضل خلايا البيروفسكايت الشمسيّة المعكوسة لم تتجاوز حتى الآن نسبة 20.9 في المائة.
ولتعزيز نسب كفاءة خلايا البيروفسكايت المعكوسة وعمرها، نجح بكر وزملاؤه مؤخرا، بالتعاون مع باحثين من جامعة تورنتو الكندية، في إجراء تحسين ملحوظ على تلك الخلايا، تمثّل في إضافة ربيطات الألكيلامين طويلة السلسلة (AALs) إلى المزيج في أثناء إنتاج البيروفسكايت، ما أدَّى إلى تطوير خلية بيروفسكايت شمسيّة معكوسة ذات استقرار أفضل وكفاءة موثَّقة غير مسبوقة تبلغ 22.3 في المائة.
جدير بالذكر أن مادة الألكيلامين (يشار إليها أيضًا باسم الأمينات الأليفاتية) تنتمي إلى مجموعة المركبات النشطة على السطح. وبشكل عام، فهي مشتقة من الأحماض الدهنية. وتستخدم الأمينات لتطهير الأسطح والأدوات، كعامل ترطيب أو مستحلب أو منظف، وكذلك في المستحضرات الصيدلانية والملونات.
ولتوضيح تأثير هذا الإجراء في الخلايا، يقول تشنج: «كانت إضافة كمية ضئيلة للغاية من ربيطات الألكيلامين كافية لتحسين الخواص البنيوية والإلكترو بصرية للبيروفسكايت من عدة نواحٍ». وفي الكيمياء فإن الذرات والجزيئات التي تستعمل كربيطات عادة ما تكون قادرة على منح زوج من الإلكترونات لتشكل رابطة تساهمية مع الذرة الفلزية.
وقد أدت إضافة ربيطات الألكيلامين طويلة السلسلة إلى مزيج البيروفسكايت خلال عملية التصنيع إلى تفاعل ذيول الربيطات، وهو ما نتجت عنه محاذاة الحبيبات المتجاورة لتقليص العيوب الناشئة عن الحدود بينها في طبقات البيروفسكايت النهائية.
ومع تقارب حبيبات البيروفسكايت بعضها من بعض، دُفِعَت ربيطات الألكيلامين نحو السطح الخارجي، مكونًة غلافًا واقيًا. كذلك أمكن للرأس الأميني لكل جزيء من جزيئات الربيطات أن يملأ العيوب النقطية في بنية البيروفسكايت.
وبوجه عام، عزّزت إضافة ربيطات الألكيلامين طويلة السلسلة من الناتج الكهربائي للمادة في ضوء الشمس، كما حسّنت من معدلات الاستقرار وطول العمر.
وعن خطواتهم المستقبلية، يختتم تشنج حديثه قائلًا: «نهدف في المرحلة التالية من بحثنا إلى التوسع في إنتاج خلايا البيروفسكايت للوصول إلى منتج عالي الأداء جاهز للطرح بالأسواق. ولا شك أن تطوير أسلوب قابل للتوسع في إنتاج أغشية بيروفسكايت واسعة النطاق ذات جودة عالية على مختلف الأسطح - بما فيها الركائز المرنة ورقائق السيليكون - من شأنه أن يتغلب على العقبة الرئيسية الباقية أمام طرحها على نطاق تجاري».