تصف الدراسة خلية شمسية ترادفية جديدة مصنوعة بالكامل من البيروفسكايت، والتي لديها القدرة على توفير طريقة غير مكلفة وأكثر كفاءة لتسخير طاقة الشمس لتوليد الطاقة الكهربائية.
لقد كان لاعتمادنا على مصادر الطاقة غير المتجددة، كالوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز، أثر سلبي بالغ على البشرية والبيئة. فحرق الوقود الأحفوري يزيد من ظاهرة الاحتباس الحراري، ويؤدي إلى تدمير الموائل الطبيعية، وتلوث الهواء والماء والتربة، ويؤثر سلبًا على الصحة العامة. ثمة حاجة ماسة إلى تطوير تقنيات مستدامة قادرة على تزويد العالم بالطاقة النظيفة. وتُعد تقنية الطاقة الشمسية إحدى هذه التقنيات، إذ تتميز بقدرتها على تسخير ضوء الشمس - وهو أغنى مصادر الطاقة المتجددة - وتحويله إلى طاقة كهربائية. وقد ساهمت المزايا العديدة للطاقة الشمسية ، من حيث فوائدها للإنسان والبيئة ، في تعزيز استخدامها.
يُعدّ السيليكون المادة الأكثر شيوعًا في صناعة الخلايا الشمسية المستخدمة في الألواح الشمسية المتوفرة في الأسواق اليوم. وتستطيع هذه الخلايا تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء دون الحاجة إلى أي وقود إضافي. وقد شهد تصميم وكفاءة الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون تحسنًا ملحوظًا على مدى عقود بفضل التطورات في التصنيع والتكنولوجيا. وتُعرَّف كفاءة الخلية الشمسية بأنها نسبة الطاقة الموجودة على شكل ضوء الشمس والتي يُمكن تحويلها إلى كهرباء. وتُعتبر كفاءة الخلايا الشمسية والتكلفة الإجمالية العاملين الرئيسيين اللذين يُحدّان من إنتاج الألواح الشمسية اليوم.
إلى جانب الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون، تتوفر أيضًا الخلايا الشمسية الترادفية ، حيث تُستخدم خلايا مُخصصة مُحسّنة لكل جزء من طيف الشمس، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة الإجمالية. تُعتبر مادة البيروفسكايت أفضل من السيليكون في امتصاص الفوتونات الزرقاء عالية الطاقة من ضوء الشمس، أي جزء آخر من طيف الشمس. البيروفسكايت مادة متعددة البلورات (عادةً ما تكون ثلاثي هاليد ميثيل أمونيوم الرصاص (CH3NH3PbX3)، حيث X ذرة يود أو بروم أو كلور). يسهل تشكيل البيروفسكايت إلى طبقات ماصة لأشعة الشمس. وقد جمعت دراسات سابقة بين السيليكون والبيروفسكايت في خلايا شمسية، حيث وُضعت خلايا سيليكون في الأعلى قادرة على امتصاص الفوتونات الصفراء والحمراء والأشعة تحت الحمراء القريبة، إلى جانب خلايا البيروفسكايت، مما أدى إلى مضاعفة إنتاج الطاقة تقريبًا.
في دراسة جديدة نُشرت في مجلة ساينس بتاريخ 3 مايو، طوّر باحثون لأول مرة خلايا شمسية ترادفية مصنوعة بالكامل من البيروفسكايت، تصل كفاءتها إلى 25%. تُعرف هذه المادة باسم غشاء البيروفسكايت ذي فجوة النطاق المنخفضة المختلط بالرصاص والقصدير ((FASnI3)0.6 MAPbI3)0.4؛ حيث يرمز FA إلى الفورماميدينيوم وMA إلى ميثيل الأمونيوم). يُعاب على القصدير تفاعله مع أكسجين الهواء، مما يُحدث عيوبًا في الشبكة البلورية، الأمر الذي قد يُعيق حركة الشحنات الكهربائية في الخلية الشمسية ، وبالتالي يُحدّ من كفاءتها. وقد وجد الباحثون طريقة لمنع تفاعل القصدير في البيروفسكايت مع الأكسجين. استخدموا مركبًا كيميائيًا يُسمى ثيوسيانات الغوانيدينيوم لتحسين الخصائص التركيبية والبصرية الإلكترونية لأغشية البيروفسكايت ذات فجوة النطاق المنخفضة المختلط بالرصاص والقصدير بشكل ملحوظ. يُغطي مركب ثيوسيانات الغوانيدينيوم بلورات البيروفسكايت في الغشاء الماص للطاقة الشمسية ، مانعًا بذلك دخول الأكسجين وتفاعله مع القصدير. يؤدي هذا مباشرةً إلى تحسين كفاءة الخلية الشمسية من 18 إلى 20 بالمئة. كما أن دمج هذه المادة الجديدة مع طبقة البيروفسكايت العلوية عالية الامتصاص المستخدمة تقليديًا يزيد الكفاءة إلى 25 بالمئة.
تصف الدراسة الحالية لأول مرة تصميم الخلايا الشمسية الترادفية باستخدام جميع أغشية البيروفسكايت الرقيقة ، ويمكن لهذه التقنية يومًا ما أن تحل محل السيليكون في الخلايا الشمسية. المواد الجديدة ذات جودة عالية وغير مكلفة وتصنيعها أبسط بينما التكلفة منخفضة مقارنة بالخلايا الترادفية من السيليكون والسيليكون بيروفسكايت. البيروفسكايت مادة من صنع الإنسان مقارنة بالسيليكون ، والألواح الشمسية القائمة على البيروفسكايت مرنة وخفيفة الوزن وشبه شفافة. على الرغم من أن المادة الحالية ستستغرق بعض الوقت لتتجاوز كفاءة تقنية السيليكون بيروفسكايت. ومع ذلك ، فإن الأفلام متعددة الكريستالات القائمة على البيروفسكايت لديها القدرة على تصميم الخلايا الشمسية الترادفية التي يمكن أن توفر كفاءة تصل إلى 30 في المائة مع الحفاظ على العوامل الأخرى دون عوائق. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لجعل المادة متينة وأكثر استقرارًا وقابلة لإعادة التدوير أيضًا لتقليل التأثير على البيئة. يعد قطاع الطاقة الشمسية من أسرع القطاعات نموًا والهدف النهائي هو اكتشاف بديل واعد للطاقة النظيفة.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
تونغ وآخرون، 2019. عمر حاملات الشحنة الذي يزيد عن 1 ميكروثانية في بيروفسكايت القصدير والرصاص يمكّن من إنتاج خلايا شمسية ترادفية عالية الكفاءة مصنوعة بالكامل من البيروفسكايت. مجلة ساينس، 364 (6439). https://doi.org/10.1126/science.aav7911
