علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Revolutionizing Solar Energy: Record-Breaking 25.1% Efficiency Achieved in Perovskite Cells
(NORTHWESTERN UNIVERSITY – بواسطة: جامعة نورث ويستيرن (إيفانستون، إلينوي))
ملخص المقالة:
سجلت أحدث أبحاث خلايا البيروفسكايت الشمسية في جامعة نورث ويستيرن رقمًا قياسيًا جديدًا في الكفاءة بنسبة 25.1%، مقارنة بكفاءة تبلغ 24.09% فقط وصلت اليها الأساليب السابقة. وقد تم ذلك باستخدام نهج جديد للجزيء المزدوج لتقليل إعادة تركيب الإلكترون. ويمثل هذا التطور خطوة مهمة نحو جعل خلايا البيروفسكايت الشمسية بديلاً أكثر كفاءة واستقرارًا للخلايا التقليدية القائمة على السيليكون. وتتحرك تقنية الطاقة الشمسية البيروفسكايت بسرعة، ويتحول التركيز على البحث والتطوير من امتصاص المواد السائبة إلى الواجهات البينية.
( المقالة )
عزز الباحثون كفاءة الخلايا [الشمسية] من خلال استخدام مجموعة من الجزيئات لمعالجة مختلف القضايا. ورفع الباحثون في جامعة نورث ويستيرن مرة أخرى معايير خلايا البيروفسكايت الشمسية من خلال تطور جديد ساعد التقنية الناشئة على تحقيق أرقام قياسية جديدة من حيث الكفاءة.
وتصف النتائج، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة “العلوم” (Science)، محلولًا ثنائي الجزيء للتغلب على الخسائر في الكفاءة أثناء تحويل ضوء الشمس إلى طاقة. ومن خلال الدمج أولاً، جزيء لمعالجة ما يسمى إعادة التركيب السطحي، حيث يتم فقدان الإلكترونات عندما تكون محاصرة بسبب العيوب – ذرات مفقودة على السطح، وجزيء ثانٍ لتعطيل إعادة التركيب عند السطح البيني بين الطبقات، حقق الفريق للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) [التابع لوزارة الطاقة] كفاءة معتمدة بنسبة 25.1% ، حيث وصلت الأساليب السابقة إلى كفاءة تبلغ 24.09% فقط.
التركيز على إعادة التركيب البيني[1]
وقال تيد سارجنت، أستاذ جامعة نورث ويستيرن: “إن تكنولوجيا الطاقة الشمسية البيروفسكايت تتحرك بسرعة، ويتحول التركيز على البحث والتطوير من امتصاص المواد السائبة إلى الواجهات البينية. هذه هي النقطة الحاسمة لمواصلة تحسين الكفاءة والاستقرار وتقريبنا من هذا الطريق الواعد لحصاد الطاقة الشمسية الأكثر كفاءة من أي وقت مضى”.
سارجنت هو المدير التنفيذي المشارك لمعهد “باولا ام. ترينينز” (Paula M. Trienens) للاستدامة والطاقة[2] (ISEN سابقًا) وباحث متعدد التخصصات في كيمياء المواد وأنظمة الطاقة، مع تعيينات في قسم الكيمياء في كلية واينبرغ للآداب والعلوم وجامعة واينبرغ. قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية “ماكورميك” للهندسة.
وتصنع الخلايا الشمسية التقليدية من رقائق السيليكون عالية النقاء والتي تستهلك الكثير من الطاقة لإنتاجها ويمكنها فقط امتصاص نطاق ثابت من الطيف الشمسي.
مواد البيروفسكايت التي يمكن تعديل حجمها وتركيبها “لضبط” الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها، مما يجعلها تقنية ترادفية ناشئة مواتية ومن المحتمل أن تكون منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة.
تاريخيًا، واجهت خلايا البيروفسكايت الشمسية تحديات لتحسين الكفاءة بسبب عدم استقرارها النسبي. وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، أدت التطورات التي تم إحرازها في مختبر سارجنت وغيره إلى رفع كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية إلى نفس النطاق الذي يمكن تحقيقه باستخدام السيليكون.
التقدم في الاحتفاظ بالإلكترون
في البحث الحالي، بدلاً من محاولة مساعدة الخلية على امتصاص المزيد من ضوء الشمس، ركز الفريق على مسألة الحفاظ على الإلكترونات المتولدة والاحتفاظ بها لزيادة الكفاءة. فعندما تتصل طبقة البيروفسكايت بطبقة نقل الإلكترون في الخلية، تنتقل الإلكترونات من واحدة إلى أخرى. ولكن يمكن للإلكترون أن يعود إلى الخارج ويملأ أو “يتحد” مع الثقوب الموجودة في طبقة البيروفسكايت.
وقال المؤلف الأول تشينغ ليو، وهو طالب ما بعد الدكتوراه في مختبر سارجنت، والذي يشرف عليه أستاذ الكيمياء في كلية “تشارلز إي وإيما إتش موريسون” البروفيسور ميركوري كاناتزيديس: “إن إعادة التركيب في الواجهة أمر معقد”. وأضاف: “من الصعب جدًا استخدام نوع واحد من الجزيئات لمعالجة إعادة التركيب المعقد والاحتفاظ بالإلكترونات، لذلك فكرنا في مجموعة الجزيئات التي يمكننا استخدامها لحل المشكلة بشكل أكثر شمولاً”.
وقد جدت الأبحاث السابقة التي أجراها فريق سارجنت دليلاً على أن جزيئا واحدًا، وهو “البروبان-1 3-يوديد ثنائي الأمونيوم” [propane-1,3-diammonium iodide (PDAI2)]، يقوم بعمل جيد في حل إعادة تركيب الواجهة. وبعد ذلك، احتاجوا إلى العثور على جزيء يعمل على إصلاح العيوب السطحية ومنع الإلكترونات من إعادة الاتحاد معها.
نهج الجزيء المزدوج والعمل المستقبلي
ومن خلال إيجاد الآلية التي من شأنها أن تسمح لـ “البروبان-1 3-يوديد ثنائي الأمونيوم” بالعمل مع جزيء ثانوي، قام الفريق بتضييق نطاق البحث على الكبريت، الذي يمكن أن يحل محل مجموعات الكربون – التي عادةً ما تكون ضعيفة في منع الإلكترونات من الحركة – لتغطية الذرات المفقودة وقمع إعادة التركيب.
وقد طورت ورقة بحثية حديثة نشرتها نفس المجموعة في مجلة “الطبيعة” (Nature) طلاءًا للركيزة أسفل طبقة البيروفسكايت لمساعدة الخلية على العمل عند درجة حرارة أعلى لفترة أطول. وهذا الحل، وفقًا للدكتور ليو، يمكن أن يعمل جنبًا إلى جنب مع النتائج الواردة في الورقة العلمية.
وبينما يأمل الفريق أن تشجع النتائج التي توصلوا إليها المجتمع العلمي الأكبر على مواصلة دفع العمل إلى الأمام، فإنهم أيضًا سيعملون على المتابعة.
وقال البروفيسور تشنغ: “علينا استخدام استراتيجية أكثر مرونة لحل مشكلة الواجهة المعقدة. لا يمكننا استخدام نوع واحد فقط من الجزيئات، كما فعل الناس من قبل. نحن نستخدم جزيئين لحل نوعين من إعادة التركيب، ولكننا على يقين من وجود المزيد من أنواع إعادة التركيب المرتبطة بالعيوب في الواجهة. نحن بحاجة إلى محاولة استخدام المزيد من الجزيئات للالتقاء معًا والتأكد من أن جميع الجزيئات تعمل معًا دون تدمير وظائف بعضها البعض”.
*تمت الترجمة بتصرف
المرجع: “Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells” by Cheng Liu, Yi Yang, Hao Chen, Jian Xu, Ao Liu, Abdulaziz S. R. Bati, Huihui Zhu, Luke Grater, Shreyash Sudhakar Hadke, Chuying Huang, Vinod K. Sangwan, Tong Cai, Donghoon Shin, Lin X. Chen, Mark C. Hersam, Chad A. Mirkin, Bin Chen, Mercouri G. Kanatzidis and Edward H. Sargent, 16 November 2023, Science. DOI: 10.1126/science.adk1633
تم دعم الورقة البحثية بموجب الجائزة رقم 70NANB19H005 من وزارة التجارة الأمريكية، والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، كجزء من مركز تصميم المواد الهرمية (CHiMaD)، وجزئيًا من قبل OSR-CRG2020-4350.2، بالإضافة إلى تلقي الدعم من مكتب الأبحاث البحرية (N00014-20-1-2572، N00014-20-1-2725)، ومكتب أبحاث الجيش (W911NF-23-1-0141، W911NF-23-1-0285، ومن قبل مؤسسة شيرمان فيرتشايلد ، انكوربوريشن). استفاد العمل من مرافق SPID وEPIC وKeck-II في مركز NUANCE بجامعة نورث وسترن، والذي تلقى دعمًا من موارد SHyNE NSF ECCS-2025633))، والمعهد الدولي لتقنية النانو، وجامعة نورث ويستيرن وبرنامج MRSEC 5 التابع لجامعة ويستيرن NSF DMR-1720139)). تم دعم توصيف نقل الشحنة من قبل مركز علوم وهندسة أبحاث المواد التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF) في جامعة نورث ويستيرن (DMR-1720319).
المصدر:
الهوامش:
[1] تشير إعادة التركيب البيني إلى العملية التي يتم فيها إعادة تجميع حاملات الشحنة (الإلكترونات والثقوب) عند السطح البيني بين مواد مختلفة في جهاز أشباه الموصلات. ويمكن أن تؤثر هذه الظاهرة على كفاءة الخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية الأخرى عن طريق تقليل العمر الإجمالي لحامل الشحنة. وغالبًا ما يهدف الباحثون إلى تقليل إعادة التركيب البيني لتحسين أداء هذه الأجهزة. المصدر: الاستعانة بـ “تشات جي بي تي”. [2] في يونيو 2023، تمت إعادة تسمية معهد الاستدامة والطاقة القديم في جامعة نورث ويستيرن (Institute for Sustainability and Energy at Northwestern (ISEN)) ليصبح معهد “باولا إم. ترينينز” للاستدامة والطاقة، تكريمًا لمنحة قدرها 25 مليون دولار من صندوق “هوارد وباولا ترينينز”. توفر المنحة، التي تعد أكبر مساهمة خيرية يتم تقديمها في تاريخ المعهد، استثمارًا مهمًا في البحث والتعليم والمشاركة في المناخ وتحول الطاقة، فضلاً عن مرونة المجتمع. يعد معهد “باولا إم. ترينينز” للاستدامة والطاقة أحد المعاهد البحثية الرائدة بالجامعة. تعود جذوره إلى أكتوبر 2008، عندما تم تأسيسه كمبادرة للاستدامة والطاقة في جامعة نورث ويستيرن تحت قيادة الرئيس الخامس عشر للجامعة، هنري س. بينين. وفقًا للبيان الصحفي الذي أعلن عن المبادرة، فقد تم تأسيسها لتعزيز نقاط القوة الحالية في جامعة نورث ويستيرن والبناء عليها وتعزيز الجهود الجديدة في مجال الطاقة والاستدامة. المصدر: https://trienens-institute.northwestern.edu/about/history.html