اكتشاف العلماء أخيرًا عن عيب كبير في الكفاءة يعيق عودة الخلايا الشمسية
لدى Perovskite الكثير من أجل ذلك في بحثنا عن طريقة رخيصة وفعالة لحصاد الطاقة الشمسية. مع غبار الجزيئات العضوية ، تمكنت هذه الهياكل البلورية من تحويل أكثر من ربع الضوء الساقط عليها إلى كهرباء.
من الناحية النظرية ، يمكن لبلورات البيروفسكايت المصنوعة من المزيج الصحيح من المواد أن تدفع هذا الحد إلى ما يزيد عن 30 في المائة ، متفوقةً بذلك على الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون (والتي تعد حاليًا أكثر تقنيات الألواح الشمسية وفرة) ، وبتكلفة أقل بكثير. كل شيء جيد على الورق ، ولكن في الواقع ، هناك شيء ما يعيق ظهور التكنولوجيا.
اجمع بين الكالسيوم والتيتانيوم والأكسجين في ظل الظروف المناسبة وستشكل أقفاصًا متكررة من الجزيئات تبدو مثل مجموعة من الصناديق مرتبطة في أركانها.
بغض النظر عن العناصر المعنية ، يُطلق على هذا النمط البلوري المعين بنية بيروفسكايت. اصنع واحدًا من يوديد الرصاص ، وقم برمي مركب عضوي مثل ميثيل الأمونيوم للحصول على شحنة موجبة ، وقم برش بعض أشعة الشمس ، وستكون في طريقك لتوليد تيار من الكهرباء.
لتحقيق كفاءات تتجاوز 25 في المائة في تحول الطاقة هذا ، سرعان ما تعلم المهندسون أن ذلك مفيد لضمان وجود الكثير من اليوديد ، على ما يبدو لضمان ملء أي عيوب في الشبكة البلورية البيروفسكايتية بشكل جيد وحقيقي.
لكن هذا الافتراض لم يتم اختباره بالكامل ، لذلك عاد باحثون من جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا في الولايات المتحدة إلى المبادئ الأولى لتحديد ما كان يحدث بالفعل.
باستخدام الحوسبة المتطورة لتحليل السلوكيات الكمومية التي تؤثر على الإلكترونات أثناء انتقالها من خلال مزيج هجين من الجزيئات العضوية وهياكل يوديد الرصاص ، اكتشف الفريق أن إضافة المزيد من اليوديد لم يكن بالضبط ما اقترحته تجارب الحركة الحكيمة.
اتضح أن الخلل في النظام لم يكن كما توقعه أي شخص.
بدلاً من وجود عيب في أقفاص البيروفسكايت ، كان المكون العضوي – الذي كان يُعتبر سابقًا وحدة غير قابلة للكسر – هو الذي جاء بضعف محبط إلى حد ما. اتضح أن الهيدروجين الخاص بهم يمكن أن ينفجر على الفور.
يقول الباحث الرئيسي ومهندس المواد Xie Zhang: “يوديد الرصاص ميثيل الأمونيوم هو البيروفسكايت الهجين النموذجي” .
“وجدنا أنه من السهل بشكل مفاجئ كسر إحدى الروابط وإزالة ذرة الهيدروجين على جزيء الميثيل أمونيوم.”
يشكل فراغ الهيدروجين حفرة غير مريحة إلى حد ما في الطريق السريع الكهربائي ، مما يعوق التيار المتولد عندما يقرع ضوء الشمس الإلكترونات خالية من بنية البيروفسكايت المحيطة.
يقول زانغ : “عندما تعلق هذه الرسوم في المنصب الشاغر ، لم يعد بإمكانهم القيام بعمل مفيد ، مثل شحن بطارية أو تشغيل محرك ، وبالتالي فقدان الكفاءة” .
على الرغم من أن العملية نظرية بالكامل في هذه المرحلة ، إلا أن الحسابات تسمح أيضًا للفريق بإيجاد طرق للتغلب على الخلل.
أحد الاحتمالات ، التي تقابلها النتائج التجريبية ، هو البحث عن أرضية وسطية بتركيزات يوديد.
قد يؤدي استبدال الجزيء العضوي بكاتيون آخر مثل السيزيوم ، أو الأفضل من ذلك ، نوع مشابه من المركبات العضوية مثل فورماميدينيوم ، إلى تحسن جذري في الكفاءة.
سيتطلب تحويل هذا العمل النظري إلى طريقة عملية لتوليد الكهرباء الكثير من الاختبارات والتخطيط. ما ينجح في الحسابات يجب أن يُنسج في عمليات تنتج رقاقات خالية من العيوب من البيروفسكايت حول جزيئات الفورمامدينيوم.
لكي يكون للبيروفسكايت أمل في الهيمنة على سوق إنتاج الطاقة ، فإنه سيحتاج إلى إظهار قيمته على المستويين المالي والوظيفي.
تشير التوقعات الخاصة بالسيليكون إلى أنه لا يزال هناك طريق يتعين قطعه قبل أن يصل إلى حدوده النظرية التي تتجاوز 30 بالمائة .
ولكن بالنظر إلى التقدم الذي أحرزه البيروفسكايت في العقد الماضي فقط ، يمكن أن تكون خلايا البيروفسكايت الشمسية بسبب كسرها الكبير في المستقبل غير البعيد.
حقق العلماء رقمًا قياسيًا جديدًا في كفاءة الخلايا الشمسية
يمكن أن يؤدي تحسين كفاءة الخلايا الشمسية إلى إحداث فرق كبير في كمية الطاقة المنتجة من نفس مساحة السطح ونفس القدر من أشعة الشمس ، وقد تم التغلب على رقم قياسي عالمي آخر في السعي لتحقيق عوائد أفضل.
حقق الباحثون الآن كفاءة بنسبة 29.15 في المائة في فئة الخلايا الشمسية الترادفية من البيروفسكايت / السيليكون ، والتي تعد واحدة فقط من عدة أنواع مختلفة من الخلايا. يوجد حاليًا مجموعة متنوعة من التقنيات المختلفة المستخدمة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.
بالنسبة لهذا النوع من اللوحات ، أصبح الهدف طويل المدى لأكثر من 30 في المائة الآن في متناول اليد. أحدث الاختبارات المعملية تفوق الكفاءة القصوى البالغة 28 بالمائة التي تمكنت خلايا البيروفسكايت / السيليكون من تحقيقها حتى هذه النقطة.
كتب الباحثون في ورقتهم المنشورة: “الخلايا الشمسية الترادفية التي تقرن السيليكون بهاليد البيروفسكايت المعدني تعد خيارًا واعدًا لتجاوز حد كفاءة الخلية المفردة” .
لقد أبلغنا عن ترادف بيروفسكايت / سيليكون متآلف مع كفاءة تحويل طاقة معتمدة تبلغ 29.15 بالمائة.”
Perovskite و السيليكون وفعلا وضعت بشكل منفصل عن مواد شبه موصلة للاستخدام الألواح الشمسية: كانت خلايا السليكون في جميع أنحاء لفترة أطول، ويوجد حاليا معيار في مزارع الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم .
البيروفسكايت هو المنافس الجديد القادم ، والذي يعتقد العلماء أنه يمكن أن يتفوق في النهاية على السيليكون من حيث الفائدة.
لهذا السبب جرب العلماء منذ فترة طويلة تركيبات مختلفة من مركبات البيروفسكايت وإضافة مواد أخرى – السيليكون ، في هذه الحالة. تستخدم الخلية الترادفية المزعومة اثنين من أشباه الموصلات التي يمكن أن تلتقط جزأين مختلفين من طيف الضوء ، وتمتد إلى ما وراء ضوء الأشعة تحت الحمراء (الملتقط بواسطة السيليكون) إلى الضوء المرئي أيضًا (تلتقطه مركبات البيروفسكايت).
المزيد من الأخبار الجيدة هي أن وضع البيروفسكايت والسيليكون معًا لا يضيف إلى حد كبير تكلفة تصنيع الألواح. يعد الحفاظ على السعر منخفضًا أمرًا مهمًا للحصول على تكنولوجيا الطاقة الشمسية إلى أقصى حد وبأسرع وقت ممكن.
في هذا البحث الجديد ، تمت إدارة سجل الكفاءة البالغ 29.15 في المائة باستخدام لوحة مقاس 1 سم × 1 سم (0.4 بوصة × 0.4 بوصة) ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى بعض التوسيع الجاد. يقول الفريق إن ذلك يجب أن يكون ممكنًا. بعد 300 ساعة من الاستخدام المحاكي ، احتفظت الخلية الترادفية بـ 95 بالمائة من كفاءتها الأصلية ، وهي علامة واعدة أخرى.
تم الإبلاغ عن الرقم القياسي الجديد لأول مرة في وقت سابق من هذا العام ، على الرغم من أن الورقة التي تمت مراجعتها من قبل الزملاء والتي توضح تفاصيل هذا الإنجاز قد تم نشرها للتو . استخدم العلماء تركيبات طبقات معدلة خصيصًا لربط طبقة القطب الكهربائي والحفاظ على نوعي الخلايا معًا للوصول إلى الرقم القياسي الجديد.
إنها لحظة أخرى للاحتفال بها ، لكن العلماء لم يتوقفوا: تشير الأبحاث السابقة إلى أن تكنولوجيا الخلايا الشمسية الترادفية يجب أن تكون قادرة على الوصول إلى معدلات كفاءة أعلى بكثير من 30 في المائة ، ويقول الفريق إن “الأفكار الأولية لهذا الأمر قيد المناقشة بالفعل”.