علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Revolutionary Leap in Solar Energy: Researchers Crack 30% Efficiency Threshold With Perovskite-Silicon
(Tandem Cells By AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE – بواسطة: الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم)
ملخص المقالة:
طور باحثون في دراستين منفصلتين طرقًا لتصنيع الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون بكفاءة تحويل طاقة تتجاوز 30%، متجاوزة الحدود التقليدية للخلايا الكهروضوئية المعتمدة على السيليكون؛ حيث حققت دراسة أجريت في المركز السويسري للإلكترونيات والميكروتكنيك الكفاءة من خلال تحسين ترسيب البيروفسكايت على قاعدة السيليكون باستخدام إضافات حمض الفوسفونيك، بينما استخدمت دراسة أخرى في جامعة ليفربول السائل الأيوني – يوديد البيبرازينيوم – لتحسين استخلاص الشحنة، مما أدى إلى كفاءة 31.2% و32.5% على التوالي.
( المقالة )
في دراستين منفصلتين، قدم العلماء طرقًا جديدة تتيح تصنيع خلايا شمسية ترادفية من البيروفسكايت والسيليكون عالية الأداء مع كفاءة تحويل طاقة تتجاوز 30%. وتقترب خلايا السيليكون الشمسية، التي تمثل التكنولوجيا الكهروضوئية الأكثر انتشارًا، بسرعة من الحد الأقصى لكفاءة تحويل الطاقة النظرية (PCE) البالغة 29٪.
وإحدى الطرق لزيادة كفاءة الخلية الشمسية هي تحسين طيف ضوء الشمس لتحويله إلى طاقة. ويمكن القيام بذلك عن طريق تكديس مادتين أو أكثر من المواد الضوئية المترابطة في جهاز واحد، مما يحسن حصاد الطاقة الشمسية. إن الجمع بين خلايا البيروفسكايت والسيليكون الشمسية في جهاز ترادفي يمكن أن يوفر طريقًا واعدًا نحو الخلايا الكهروضوئية عالية الأداء.
وهنا، في دراستين منفصلتين، يقدم الباحثون استراتيجيات مختلفة لتطوير الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون مع كفاءة تحويل طاقة تتجاوز 30٪.
“إن التغلب على هذه العتبة يوفر الثقة في إمكانية جلب الخلايا الكهروضوئية عالية الأداء ومنخفضة التكلفة إلى السوق”، كما كتب ستيفان دي وولف[1] وإركان أيدين[2] في منظور ذي صلة.
وفي إحدى الدراسات، أظهر شين يو تشين[3] وزملاؤه أن الترسيب الموحد لخلية البيروفسكايت العلوية على خلية سفلية من السيليكون تتميز (تشبه اهرامات ميكرومترية) بأهرامات ميكرومترية – التكوين القياسي للصناعة – يمكن أن يسهل تيارات ضوئية عالية في الخلايا الشمسية الترادفية.
وأثبتت ورقة تشين وآخرون العلمية [مرجع رقم 1] أن استخدام إضافات حمض الفوسفونيك أثناء تسلسل معالجة الخلايا لم يحسن عملية تبلور البيروفسكايت فحسب، بل ساعد أيضًا في تخفيف خسائر إعادة التركيب. وفي إثبات للمفهوم، قام المؤلفون بتصنيع جهاز بمساحة نشطة تبلغ 1.17 سم مربع، وحقق معدل استهلاك شخصي معتمد بنسبة 31.2%.
وباتباع نهج مختلف، أوضحت سيلفيا ماريوتي[4] وزملاؤها أن استخدام السائل الأيوني – يوديد البيبرازينيوم – أدى إلى تحسين محاذاة النطاق، وتعزيز استخلاص الشحنات عند السطح البيني لثلاثي البيروفسكايت وطبقة نقل الإلكترون، عن طريق إنشاء ثنائي القطب الموجب. وباستخدام هذا التعديل، ذكرت ورقة ماريوتي وآخرون العلمية [مرجع رقم 2] أنهم طوروا خلية شمسية ترادفية مصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون والتي أظهرت جهد دائرة مفتوحة مثير للإعجاب يصل إلى 2.0 فولت و كفاءة تحويل طاقة معتمد يصل إلى 32.5%.
*تمت الترجمة بتصرف
المراجع:
- “Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells” by Xin Yu Chin, Deniz Turkay, Julian A. Steele, Saba Tabean, Santhana Eswara, Mounir Mensi, Peter Fiala, Christian M. Wolff, Adriana Paracchino, Kerem Artuk, Daniel Jacobs, Quentin Guesnay, Florent Sahli, Gaëlle Andreatta, Mathieu Boccard, Quentin Jeangros and Christophe Ballif, 6 July 2023, Science. DOI: 10.1126/science.adg0091
- “Interface engineering for high-performance, triple-halide perovskite–silicon tandem solar cells” by Silvia Mariotti, Eike Köhnen, Florian Scheler, Kári Sveinbjörnsson, Lea Zimmermann, Manuel Piot, Fengjiu Yang, Bor Li, Jonathan Warby, Artem Musiienko, Dorothee Menzel, Felix Lang, Sebastian Keßler, Igal Levine, Daniele Mantione, Amran Al-Ashouri, Marlene S. Härtel, Ke Xu, Alexandros Cruz, Jona Kurpiers, Philipp Wagner, Hans Köbler, Jinzhao Li, Artiom Magomedov, David Mecerreyes, Eva Unger, Antonio Abate, Martin Stolterfoht, Bernd Stannowski, Rutger Schlatmann, Lars Korte and Steve Albrecht, 6 July 2023, Science. DOI: 10.1126/science.adf5872
المصدر:
الهوامش:
[1] ستيفان دي وولف: أستاذ علوم وهندسة المواد | المدير المساعد المؤقت لمركز الطاقة الشمسية بجامعة الملك عبدالله | كرسي برنامج علوم وهندسة المواد. حصل على درجة الدكتوراه من جامعة كاثوليك لوفين، بلجيكا، 2005؛ وحصل على درجة الماجستير من جامعة غنت ببلجيكا عام 1997. وتكمن خبرته في علوم وتكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية. تركز أبحاثه على تصنيع وتوصيف الخلايا الشمسية عالية الكفاءة، مع إيلاء اهتمام خاص للفهم الأساسي لهياكل الواجهة وتكوين الاتصال الكهربائي، ذي الصلة بالخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية. التقنيات محل الاهتمام هي الخلايا الشمسية البيروفسكايت والسيليكون، في شكل مفرد ومتعدد الوصلات. وهو مهتم أيضًا بتوسيع نطاق التقنيات الكهروضوئية ومعالجة مشكلات الموثوقية، خاصة تلك المرتبطة بالمناخ المشمس. المصدر: https://www.kaust.edu.sa/en/study/faculty/stefaan-de-wolf [2] حصل إركان أيدين على درجة البكالوريوس في الهندسة من جامعة سلجوق، قونية، تركيا عام 2010. وفي نهاية أربع سنوات، تخرج بالمرتبة الأولى في الهندسة الميكانيكية من بين 160 طالبًا. خلال هذا التعليم، حصل عدة مرات على “شهادة الشرف العالية”. أكمل درجة الماجستير والدكتوراه في تقنية النانو بجامعة جامعة توب للاقتصاد والتكنولوجيا بأنقرا – تركيا من خلال برنامج الدراسات العليا لتقنية النانو (MNT) في عامي 2012 و2016، على التوالي. وهو حاليًا عالم أبحاث (زميل ما بعد الدكتوراه) في مركز الطاقة الشمسية بجامعة الملك عبدالله. المصدر: https://www.researchgate.net/profile/Erkan-Aydin [3] الدكتور شين يو تشين نال الدكتوراه من جامعة نانيانغ التكنولوجية بسنغافوره، ويعمل حاليا في المركز السويسري للإلكترونيات والميكروتكنيك [4] سيلفيا ماريوتي في الأصل من فيرونا، إيطاليا. تخرجت بدرجة البكالوريوس والماجستير في الكيمياء الصناعية من جامعة بولونيا عام 2014. وكانت رسالتها للماجستير حول مشروع تم تنفيذه في برلين في جامعة هومبولت في قسم الكيمياء – علوم المواد. وبعد خبرة قصيرة في قسم البحث والتطوير في شركة تيترا باك، مودينا (تقنية المعلومات)، التحقت ببرنامج الخلايا الكهروضوئية تيلوريد الكادميوم (CDT-PV)، للحصول على درجة الدكتوراه في الفيزياء في جامعة ليفربول من خلال مع التركيز على مواد البيروفسكايت للتطبيقات الكهروضوئية. المصدر: https://www.cdt-pv.org/user/profile/researcher/4/