(أخبار Nanowerk) بيروفسكايت، وهي فئة واسعة من المركبات ذات نوع معين من البنية البلورية، يُنظر إليها منذ فترة طويلة على أنها بديل واعد أو مكمل للألواح الشمسية الحالية المصنوعة من السيليكون أو تيلورايد الكادميوم. يمكن أن تكون خفيفة الوزن وغير مكلفة، ويمكن طلاؤها على أي ركيزة تقريبًا، بما في ذلك الورق أو البلاستيك المرن الذي يمكن لفه لسهولة النقل. وفي كفاءتها في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، أصبحت البيروفسكايت قابلة للمقارنة بالسيليكون، الذي لا يزال تصنيعه يتطلب عمليات طويلة ومعقدة وكثيفة الاستخدام للطاقة. أحد العوائق الكبيرة المتبقية هو طول العمر: فهي تميل إلى الانهيار في غضون أشهر إلى سنوات، في حين أن الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون يمكن أن تستمر لأكثر من عقدين من الزمن. ولا تزال كفاءتها على مساحات الوحدات الكبيرة متخلفة عن السيليكون. الآن، كشف فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والعديد من المؤسسات الأخرى عن طرق لتحسين الكفاءة والتحكم بشكل أفضل في التدهور، من خلال هندسة البنية النانوية لأجهزة البيروفسكايت. تكشف الدراسة عن رؤى جديدة حول كيفية صنع خلايا بيروفسكايت الشمسية عالية الكفاءة، كما توفر اتجاهات جديدة للمهندسين الذين يعملون على جلب هذه الخلايا الشمسية إلى السوق التجارية. تم وصف العمل في المجلة الطاقة الطبيعة ("تقليل إعادة التركيب عبر الحقول السطحية القابلة للضبط في أغشية البيروفسكايت الرقيقة")، في ورقة بحثية كتبها داين ديكويليتس، وهو باحث حديث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهو الآن المؤسس المشارك والمسؤول العلمي الرئيسي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا المنبثقة أوبتيجون، إلى جانب أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فلاديمير بولوفيتش ومونجي باوندي، و 10 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفي ولاية واشنطن، المملكة المتحدة وكوريا.
كشف فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والعديد من المؤسسات الأخرى عن طرق لتحسين الكفاءة والتحكم بشكل أفضل في التدهور، من خلال هندسة البنية النانوية لأجهزة البيروفسكايت. يشمل أعضاء الفريق مادلين لايتز، على اليسار، والمؤلف الرئيسي داين ديكويليتس. (الصورة: بإذن من الباحثين) "قبل عشر سنوات، لو سألتنا ما هو الحل النهائي للتطور السريع لتقنيات الطاقة الشمسية، لكانت الإجابة هي شيء يعمل بنفس كفاءة السيليكون ولكن تصنيعه أبسط بكثير" يقول بولوفيتش. "وقبل أن نعرف ذلك، ظهر مجال الخلايا الكهروضوئية البيروفسكايت. لقد كانت فعالة مثل السيليكون، وكان من السهل الطلاء عليها كما هو الحال مع الرسم على قطعة من الورق. وكانت النتيجة إثارة هائلة في هذا المجال. ومع ذلك، يقول: "هناك بعض التحديات التقنية الكبيرة في التعامل مع هذه المواد وإدارتها بطرق لم نقم بها من قبل". لكن الوعد كبير جدًا لدرجة أن مئات الباحثين حول العالم كانوا يعملون على هذه التكنولوجيا. تبحث الدراسة الجديدة في تفاصيل صغيرة جدًا ولكنها أساسية: كيفية "تخميل" سطح المادة، وتغيير خصائصها بطريقة لا يتحلل فيها البيروفسكايت بسرعة كبيرة أو يفقد كفاءته.
يقول بولوفيتش: "المفتاح هو تحديد كيمياء الواجهات، أي المكان الذي يلتقي فيه البيروفسكايت بالمواد الأخرى"، في إشارة إلى الأماكن التي يتم فيها تكديس مواد مختلفة بجوار البيروفسكايت من أجل تسهيل تدفق التيار عبر الجهاز.
لقد طور المهندسون طرقًا للتخميل، على سبيل المثال، باستخدام محلول يخلق طبقة رقيقة من التخميل. لكنهم افتقروا إلى الفهم التفصيلي لكيفية عمل هذه العملية، وهو أمر ضروري لتحقيق مزيد من التقدم في العثور على طلاءات أفضل. يقول بولوفيتش إن الدراسة الجديدة "تناولت القدرة على إبطال هذه الواجهات وتوضيح الفيزياء والعلوم وراء سبب نجاح هذا التخميل".
استخدم الفريق بعضًا من أقوى الأدوات المتاحة في المختبرات حول العالم لمراقبة الواجهات بين طبقة البيروفسكايت والمواد الأخرى، وكيفية تطورها، بتفاصيل غير مسبوقة. أدى هذا الفحص الدقيق لعملية طلاء التخميل وتأثيراتها إلى "أوضح خريطة طريق حتى الآن لما يمكننا القيام به لضبط محاذاة الطاقة في واجهات البيروفسكايت والمواد المجاورة"، وبالتالي تحسين أدائها الإجمالي، كما يقول بولوفيتش. يقول.
في حين أن الجزء الأكبر من مادة البيروفسكايت يكون على شكل شبكة بلورية منظمة تمامًا من الذرات، فإن هذا الترتيب ينهار على السطح. قد تكون هناك ذرات إضافية بارزة أو أماكن شاغرة حيث تكون الذرات مفقودة، وهذه العيوب تسبب خسائر في كفاءة المادة. وهنا تأتي الحاجة إلى التخميل.
يقول ديكويليتس: "تكشف هذه الورقة بشكل أساسي عن دليل إرشادي لكيفية ضبط الأسطح، حيث يوجد الكثير من هذه العيوب، للتأكد من عدم فقدان الطاقة على الأسطح". ويقول: "إنه اكتشاف كبير حقًا في هذا المجال". "هذه هي الورقة الأولى التي توضح كيفية التحكم بشكل منهجي وهندسة الحقول السطحية في البيروفسكايت." تتمثل طريقة التخميل الشائعة في غمر السطح في محلول ملح يسمى بروميد هيكسيلامونيوم، وهي تقنية تم تطويرها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا منذ عدة سنوات بواسطة جيسون جونجوان يو الحاصل على درجة الدكتوراه، وهو مؤلف مشارك في هذه الورقة، والتي أدت إلى العديد من الابتكارات الجديدة. كفاءة قياسية عالمية. يقول ديكويليتس: "من خلال القيام بذلك، فإنك تشكل طبقة رقيقة جدًا فوق السطح المعيب، وهذه الطبقة الرقيقة تعمل في الواقع على إلغاء الكثير من العيوب بشكل جيد". "ومن ثم فإن البروم، وهو جزء من الملح، يخترق الطبقة ثلاثية الأبعاد بطريقة يمكن السيطرة عليها." يساعد هذا الاختراق على منع الإلكترونات من فقدان الطاقة بسبب العيوب الموجودة على السطح.
وهذان التأثيران، اللذان تنتجهما خطوة معالجة واحدة، ينتجان التغييرين المفيدين في وقت واحد. يقول ديكويليتس: "إنه أمر جميل حقًا لأنك تحتاج عادةً إلى القيام بذلك في خطوتين".
يقلل التخميل من فقدان طاقة الإلكترونات على السطح بعد أن يتم التخلص منها بواسطة ضوء الشمس. تقلل هذه الخسائر من الكفاءة الإجمالية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، وبالتالي فإن تقليل الخسائر يعزز الكفاءة الصافية للخلايا.
ويقول إن ذلك يمكن أن يؤدي بسرعة إلى تحسينات في كفاءة المواد في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. تراوحت سجلات الكفاءة الحديثة لطبقة بيروفسكايت واحدة، والتي تم تسجيل العديد منها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، من حوالي 24 إلى 26 بالمائة، في حين أن الحد الأقصى للكفاءة النظرية التي يمكن الوصول إليها هو حوالي 30 بالمائة، وفقًا لدي كويليت.
قد لا تبدو الزيادة بنسبة قليلة أمرًا كبيرًا، ولكن في صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فإن مثل هذه التحسينات مطلوبة بشدة. ويقول: "في صناعة الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون، إذا حصلت على كفاءة بنسبة نصف في المائة، فهذا يساوي مئات الملايين من الدولارات في السوق العالمية". إن التحول الأخير في تصميم خلايا السيليكون، والذي يتمثل بشكل أساسي في إضافة طبقة تخميل رقيقة وتغيير صورة المنشطات، يوفر زيادة في الكفاءة تبلغ حوالي نصف بالمائة. ونتيجة لذلك، فإن "الصناعة بأكملها تتحول وتحاول بسرعة الدفع للوصول إلى هناك". ويقول إن الكفاءة الإجمالية للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون لم تشهد سوى تحسينات تدريجية صغيرة جدًا خلال الثلاثين عامًا الماضية.
تم تحديد الكفاءات القياسية للبيروفسكايت في الغالب في إعدادات مختبرية خاضعة للرقابة مع عينات صغيرة بحجم طابع البريد من المادة. يقول ديكويليتس: "إن ترجمة الكفاءة القياسية إلى نطاق تجاري يستغرق وقتًا طويلاً". "هناك أمل كبير آخر هو أنه مع هذا الفهم، سيتمكن الناس من هندسة مناطق واسعة بشكل أفضل للحصول على هذه التأثيرات السلبية." هناك المئات من الأنواع المختلفة من الأملاح التخميلية والعديد من الأنواع المختلفة من البيروفسكايت، لذا فإن الفهم الأساسي لعملية التخميل التي يوفرها هذا العمل الجديد يمكن أن يساعد في توجيه الباحثين للعثور على مجموعات أفضل من المواد، كما يقترح الباحثون. ويقول: "هناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكنك من خلالها هندسة المواد".
يقول بولوفيتش: "أعتقد أننا على أعتاب أول العروض العملية للبيروفسكايت في التطبيقات التجارية". "وهذه التطبيقات الأولى ستكون بعيدة كل البعد عما سنكون قادرين على القيام به بعد سنوات قليلة من الآن." ويضيف أن البيروفسكايت "لا ينبغي أن يُنظر إليها على أنها إزاحة للخلايا الكهروضوئية السيليكونية. وينبغي أن يُنظر إليه على أنه زيادة، وطريقة أخرى لتحقيق نشر أسرع للكهرباء الشمسية. يقول مايكل ماكغي، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كولورادو، والذي لم يشارك في هذا البحث: "لقد تم إحراز الكثير من التقدم في العامين الماضيين في العثور على معالجات سطحية تعمل على تحسين خلايا البيروفسكايت الشمسية". "لقد كانت الكثير من الأبحاث تجريبية مع عدم فهم الآليات الكامنة وراء التحسينات بشكل كامل. توضح هذه الدراسة التفصيلية أن العلاجات لا يمكنها فقط إبطال العيوب، بل يمكنها أيضًا إنشاء مجال سطحي يصد الناقلات التي يجب جمعها على الجانب الآخر من الجهاز.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64752.php
