طبقة جزيئية جديدة قد تجعل الخلايا الشمسية الترادفية أكفأ وأكثر تحملاً

طبقة بالغة الرقة تواجه مشكلات كبيرة

قد يتوقف نجاح الجيل المقبل من الخلايا الشمسية على طبقة جزيئية لا يمكن للمستخدم رؤيتها. فقد طور فريق دولي مادة قائمة على الكربوران تحمل اسم mCB-FMN، لتكون بديلاً عن جزيئات C60 المستخدمة على نطاق واسع في نقل الإلكترونات خارج خلايا البيروفسكايت عالية الكفاءة.

وفي التجارب المخبرية، لم تحسن المادة الجديدة الأداء الكهربائي فحسب، بل عززت أيضاً تماسك الطبقات. ارتفعت كفاءة خلايا البيروفسكايت الأحادية بمقدار 1.5 نقطة مئوية مقارنة بالخلايا المرجعية التي تستخدم C60، بينما بلغت الزيادة 2.4 نقطة مئوية في الخلايا الترادفية التي تجمع البيروفسكايت والسيليكون.

كيف تحول C60 إلى نقطة ضعف؟

تمتص مواد البيروفسكايت ضوء الشمس بكفاءة مرتفعة، ويمكن وضعها فوق السيليكون لالتقاط نطاق أوسع من الطيف الشمسي. وتعتمد كثير من أفضل التصاميم على طبقة رقيقة جداً من C60 لجمع الإلكترونات. تؤدي المادة هذه الوظيفة بكفاءة ويمكن ترسيبها في الفراغ، لكنها تفرض في المقابل عدة مشكلات.

يضيع جزء من الشحنة الكهربائية عند الحد الفاصل بين C60 والبيروفسكايت. كما تمتص الطبقة قدراً من الضوء الذي يفترض أن يصل إلى المواد النشطة، وقد يكون ارتباطها الميكانيكي ضعيفاً بما يسمح بانفصال الطبقات مع الزمن. ويضيف الأكسجين مساراً آخر للتدهور، وهي عيوب تصبح أكثر حساسية في الخلايا الترادفية التي يجب أن تمرر كل طبقة فيها الضوء أو تجمعه بأقل فاقد ممكن.

ماذا يفعل الجزيء الجديد؟

بنى الباحثون مادة mCB-FMN حول بنية قفصية تضم ذرات من البورون والكربون. ويمكن ترسيبها كغشاء متجانس عند درجة حرارة أقل من المطلوبة لـ C60، ما يخفض استهلاك الطاقة والإجهاد الحراري أثناء التصنيع.

أظهرت القياسات استخراجاً أفضل للإلكترونات وانخفاضاً في إعادة الاتحاد غير الإشعاعي، وهي عملية تتحول فيها الطاقة الممتصة إلى حرارة بدلاً من كهرباء. كما ساعدت المادة على معالجة عيوب السطح، وسمحت بوصول ضوء أكثر إلى الطبقات النشطة، وحسنت تكوين طبقة أكسيد القصدير الواقية التي تترسب فوقها.

وكشفت الاختبارات الميكانيكية عن التصاق أقوى بين البيروفسكايت وطبقة نقل الإلكترونات وأكسيد القصدير. وهذه ليست مسألة ثانوية، لأن الكفاءة المرتفعة تفقد قيمتها إذا أدت تغيرات الحرارة أو اهتزازات النقل أو ضغوط التصنيع إلى انفصال مكونات الخلية.

متاحة للبيع، لكنها لم تثبت تجارياً بعد

سجل الباحثون طلب براءة اختراع، وبدأ مورد متخصص بيع المادة، ما يتيح لمختبرات وشركات أخرى اختبارها بصورة أسرع. كما أن توافقها مع الترسيب في الفراغ يجعلها أقرب إلى بعض مسارات تصنيع الخلايا الترادفية على نطاق واسع.

مع ذلك، تختبر الدراسة مادة وخلايا مخبرية، لا ألواحاً كاملة عملت سنوات تحت الشمس. لا تزال هناك حاجة إلى قياس تحمل الحرارة والرطوبة والأشعة فوق البنفسجية ودورات التسخين والتبريد لفترات طويلة. كذلك يجب أن تثبت تكلفة إنتاج الجزيء وترسيبه صناعياً قدرتها على منافسة سلسلة توريد C60 الراسخة.

لماذا تستحق النتيجة الاهتمام؟

تختزل أخبار الطاقة الشمسية أحياناً في سباق نحو رقم قياسي جديد للكفاءة. أما هذا البحث فيجمع بين معالجة فاقد الشحنة وامتصاص الضوء غير المرغوب فيه وحساسية الأكسجين وضعف تماسك الطبقات. وحل عدة مشكلات بطبقة واحدة قد يكون أكثر قيمة للمصنعين من زيادة محدودة في رقم الكفاءة وحده.

لا تعني النتيجة أن ألواح البيروفسكايت والسيليكون جاهزة لإزاحة الألواح التقليدية في كل مكان. لكنها تقدم عائلة واعدة من مواد نقل الإلكترونات، وقد تقرب الخلايا الترادفية خطوة من التحول من نماذج مخبرية مبهرة إلى أجهزة تجارية قابلة للتحمل.