خلايا بيروفسكايت صينية بلا ميثيل أمونيوم حافظت على 97.76% من كفاءتها بعد 1300 ساعة

طوّر باحثون صينيون خلايا شمسية من البيروفسكايت خالية من جزيئات الميثيل أمونيوم، وحققوا كفاءة بلغت 22.7% على لوح شمسي بمساحة فعالة قدرها 54.80 سنتيمترًا مربعًا. كما احتفظت الخلايا بنسبة 97.76% من كفاءتها الأولية بعد تشغيل متواصل لمدة 1300 ساعة، من دون تغليف واقٍ.

وتعالج التقنية الجديدة إحدى أبرز مشكلات الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت، وهي تراجع استقرارها بمرور الوقت، خصوصًا عند تعرضها للحرارة أو التأثيرات الكيميائية.

لماذا يسبب الميثيل أمونيوم تراجع الكفاءة؟

تعتمد تراكيب كثيرة من البيروفسكايت على جزيئات الميثيل أمونيوم، المعروفة اختصارًا بـMA، لكنها لا تتمتع باستقرار كافٍ أمام الحرارة والمواد الكيميائية. وعند درجات الحرارة المرتفعة، قد يبدأ التركيب في التحلل، فتتطاير مركبات مثل ميثيل أمين CH₃NH₂ ويوديد الهيدروجين HI.

وقد يؤدي هذا التحلل إلى اضطراب البنية البلورية للبيروفسكايت وتكوّن يوديد الرصاص PbI₂، ما يزيد العيوب داخل المادة ويصعّب انتقال الشحنات الكهربائية، فتتراجع كفاءة الخلية الشمسية تدريجيًا.

وللتغلب على المشكلة، صمّم الباحثون تركيبًا لا يحتوي على الميثيل أمونيوم، لكن تغيير المادة وحده لم يكن كافيًا. فإنتاج خلايا كبيرة المساحة يتطلب توزيع المادة بصورة متجانسة والتحكم بدقة في مرحلة التبلور.

تقنية تصنيع للمساحات الأكبر

استخدم الفريق تقنية الطلاء بالقالب المشقوق، المعروفة باسم slot-die coating، بدلًا من أسلوب الطلاء بالدوران الشائع في المختبرات. وتعتمد التقنية على تمرير محلول سائل من سلائف البيروفسكايت إلى السطح عبر رأس طلاء خاص، بما يسمح بالتحكم بصورة مباشرة في كمية المادة وسماكة الطبقة.

أما في الطلاء بالدوران، فينتشر السائل على سطح يدور بفعل قوة الطرد المركزي. ويتيح الطلاء بالقالب المشقوق تشكيل أغشية رقيقة ومتجانسة على مساحات أكبر، مع تقليل هدر المادة. كما يمكن دمجه في أنظمة الإنتاج المستمر المعروفة باسم roll-to-roll، ما يمنحه إمكانات مهمة لتصنيع خلايا البيروفسكايت على نطاق واسع.

لكن الحفاظ على الجودة نفسها عبر سطح واسع يظل تحديًا، لأن عملية تبلور البيروفسكايت تحتاج إلى ضبط دقيق. ولهذا استخدم الباحثون مادتين مضافتين معًا، هما ثيوسيانات الروبيديوم RbSCN وثيوسيانات الفورماميدينيوم FASCN، للتحكم في تكوّن البلورات أثناء الطلاء.

وساعد هذا النهج على إنتاج طبقة بيروفسكايت أكثر انتظامًا واستقرارًا، من خلال دعم تكوّن طور ألفا النشط ضوئيًا، مع الحد من تشكّل طور دلتا، الذي يقدم مساهمة محدودة جدًا في تحويل الضوء إلى كهرباء. كما خفّضت المادتان معًا حاجز الطاقة اللازم للانتقال من طور دلتا إلى طور ألفا، ما سهّل التحكم في التبلور وقلّل تكوّن الأطوار الثانوية غير المرغوبة.

جعل استخدام المادتين عملية التصنيع أكثر تحمّلًا للفروق الصغيرة في ظروف الإنتاج، إذ تجاوزت الفترة الزمنية المتاحة لتحقيق تبلور متجانس 100 ثانية. ويمنح ذلك المادة نطاقًا زمنيًا أوسع للوصول إلى البنية البلورية المطلوبة أثناء التصنيع.

وأسفر ذلك عن أغشية ذات حبيبات بلورية أكبر، وتوزيع رأسي أكثر انتظامًا للمكونات، وإجهاد داخلي أقل.

اختبار طويل من دون تغليف واقٍ

أظهرت العينات المصنّعة نتائج مهمة خلال اختبار الاستقرار. فقد شغّل الباحثون خلايا شمسية غير مزودة بأي تغليف واقٍ بصورة مستمرة عند درجة حرارة 65 مئوية، وتحت إضاءة شمسية بمعيار AM 1.5G، مع إبقائها عند نقطة القدرة القصوى.

وبعد 1300 ساعة من التشغيل، احتفظت الخلايا بنسبة 97.76% من كفاءتها الابتدائية. وفي الظروف نفسها، لم تحتفظ الخلايا المرجعية التي لم تُستخدم فيها المادتان المضافتان سوى بنسبة 65.86% من كفاءتها الأولية.

وتشير هذه النتائج إلى تقدم في معالجة مشكلة الاستقرار طويل الأمد، التي تُعد من أكبر العقبات أمام استخدام خلايا البيروفسكايت الشمسية على نطاق أوسع. فالجمع بين تركيب خالٍ من الميثيل أمونيوم، وطريقة طلاء قابلة للتوسع، وإضافات تتحكم في التبلور، أتاح في هذه التجارب تحقيق كفاءة مرتفعة مع مقاومة أفضل للتدهور الحراري والتشغيلي.

المصدر: donanimhaber