كشف علماء من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) في دراسة بحثية نشرت في المجلة العلمية الشهيرة نيتشر (Nature) عن استراتيجية جديدة في تصميم خلايا البيروفسكايت الشمسية تعمل على إطالة عمرها الافتراضي ورفع كفاءتها إلى مستويات تقارن بخلايا السيليكون الشمسية الأكثر تكلفة.
ويعتمد الحل الذي توصلوا إليه على تضمين طبقات رقيقة من البيروفسكايت في أعلى وأسفل واجهة الخلية الشمسية.
ومن المتوقع أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تحفيز المزيد من الاستثمارات في الطاقة الشمسية من قبل الدول والصناعات، بما في ذلك المملكة العربية السعودية، التي تتوقع أن يأتي ما يقرب من 70 في المائة من طاقتها المتجددة بحلول عام 2030 من الطاقة الشمسية.
وعلى الرغم من أن كلاً من البيروفسكايت والسيليكون عبارة عن بلورات، إلا أن تكلفة تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية تبلغ نصف تكلفة تصنيع خلايا السيليكون الشمسية تقريبًا. كما أنها أكثر مرونة، مما يوسع نطاق التطبيقات التي يمكن نشرها فيها.
كما يتوقع أن تحقق خلايا البيروفسكايت الشمسية قدرة طاقة أعلى من نظيراتها من السيليكون؛ لأنها قادرة على امتصاص طيف أوسع من موجات الضوء المرئي. ولكن انخفاض تكلفتها ليس كافيًا لإزاحة خلايا السيليكون الشمسية طالما بقيت بعض القيود قائمة.
وحول هذا الموضوع قال راندي عزمي، باحث ما بعد الدكتوراه في كاوست، والمؤلف الرئيسي للدراسة "الاستقرار [في خلايا البيروفسكايت الشمسية] هو المشكلة الأكبر. ولأننا نستخدم درجات حرارة منخفضة [في التصنيع]، فلا يمكن تجنب العيوب. والحل هو استخدام مواد خاملة ذات حلول قابلة للتطوير".
وتوفر الطبقات الرقيقة التي يتم دمجها في الجزء العلوي والسفلي من واجهة البيروفسكايت ثلاثية الأبعاد في الخلية الشمسية أفضل طريقة -بشكل عام- لتحقيق أقصى قدر من الأداء من خلال التحكم في سماكة هياكلها البلورية ونقاوتها وأبعادها.
وقد اختبر الفريق البحثي، بقيادة البروفيسور ستيفان دي ولف في كاوست، والذي ضم أيضًا علماء من كوريا الجنوبية والصين، العديد من الرَّبِيطات (ligands) التجارية، حتى استطاعوا إيجاد الرَّبِيطة التي تتفاعل بشكل أفضل مع البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد لعملية التخميل الكيميائي.
وبهذه الطريقة استطاع العلماء تطوير خلايا بيروفسكايت شمسية جديدة تتمتع بكفاءة تحويل طاقة تبلغ 25,6 في المائة، وهي قابلة للمقارنة مع خلايا السيليكون الشمسية وأعلى من خلايا البيروفسكايت الشمسية القياسية. والأهم من ذلك من منظور الاستقرار، أن كفاءتها شهدت خسارة نسبية قدرها 5 في المائة فقط بعد 1000 ساعة من التعرض للحرارة العالية.
في حين شهدت الخلايا المصممة بمواد خاملة أخرى خسائر نسبية في كفاءتها بلغت حوالي 20 في المائة. [Image 2] صورة لخلية البيروفسكايت الشمسية بالإضافة إلى ذلك، فإن فهم كيفية عمل الرَّبِيطة الكيميائية على استقرار الطبقات الرقيقة من خلال تحليل شامل باستخدام المجهر الإلكتروني المتطور الموجود في مختبرات كاوست الأساسية، بالإضافة إلى تحليل تبعثر الأشعة السينية وطيف المجهر الإلكتروني الضوئي سوف يؤدي إلى تحسين أكبر للترابط الكيميائي، والذي من شأنه تحقيق أعلى درجات الاستقرار.
بدوره قال دي وولف "يكمن جمال عملنا في بساطته وقابليته للتوسع. وستتمكن مختبرات البيروفسكايت الأخرى من دمج حلنا في مسار مشاريعهم البحثية ذات العلاقة".
ويتوقع الدكتور عزمي، بعد أن قضى ثلاث سنوات في مختبر دي ولف وهو يطور تقنية خلايا البيروفسكايت الشمسية، الانضمام إلى جامعة الصين في هونغ كونغ في شينزين، كأستاذ مساعد في وقت لاحق من هذا العام. Captions Image 1: أربعة من مؤلفي الورقة البحثية يحملون خلايا البيروفسكايت الشمسية- من اليمين إلى اليسار-: آدي براسيتيو، ودراجاد أوتومو، وراندي عزمي، وإميل فضلي عمران.
