يُظهر بحث جديد وعدًا كبيرًا لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية

تقارن البيروفسكايت غير العضوية بشكل جيد مع نظيراتها الهجينة من حيث الكفاءة. الائتمان: رسم توضيحي بواسطة Xie Zhang

يُظهر بحث جديد وعدًا كبيرًا بخلايا بيروفسكايت الشمسية غير العضوية لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.

أثبتت البيروفسكايت الهجينة العضوية وغير العضوية بالفعل كفاءة عالية جدًا في الخلايا الكهروضوئية تزيد عن 25٪. الحكمة السائدة في هذا المجال هي أن الجزيئات العضوية (المحتوية على الكربون والهيدروجين) في المادة ضرورية لتحقيق هذا الأداء المذهل لأنه يُعتقد أنها تمنع إعادة تركيب الناقل بمساعدة العيب.

أظهر بحث جديد في قسم المواد بجامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا ليس فقط أن هذا الافتراض غير صحيح ، ولكن أيضًا أن جميع المواد غير العضوية لديها القدرة على التفوق في الأداء على البيروفسكايت الهجين. نُشرت النتائج في مقال بعنوان “all-inorganic halide perovskites كمرشحين لخلايا شمسية فعالة” ، والذي يظهر على غلاف عدد 20 أكتوبر 2021 من المجلة. تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.

أوضح Xie Zhang ، الباحث الرئيسي في الدراسة: “لمقارنة المواد ، أجرينا عمليات محاكاة شاملة لآليات إعادة التركيب”. “عندما يضيء الضوء على مادة الخلايا الشمسية ، تولد الحاملات المولدة بالصور تيارًا ؛ يؤدي إعادة التركيب عند العيوب إلى تدمير بعض تلك الناقلات وبالتالي يقلل من الكفاءة. وبالتالي ، تعمل العيوب كقاتل للكفاءة “.

لمقارنة البيروفسكايت غير العضوي والهجين ، درس الباحثون مادتين نموذجيتين أوليتين. تحتوي كلتا المادتين على ذرات من الرصاص واليود ، ولكن في مادة واحدة يكتمل التركيب البلوري بالعنصر غير العضوي السيزيوم ، بينما يوجد في المادة الأخرى جزيء الميثيل الأمونيوم العضوي.

يعد فرز هذه العمليات تجريبيًا أمرًا صعبًا للغاية ، لكن الحسابات الميكانيكية الكمومية الحديثة يمكن أن تتنبأ بدقة بمعدلات إعادة التركيب ، وذلك بفضل المنهجية الجديدة التي تم تطويرها في مجموعة مواد UCSB الأستاذ كريس فان دي وال ، الذي نسب الفضل إلى مارك. Turiansky ، طالب دراسات عليا في المجموعة ، يساعد في كتابة الكود لحساب معدلات إعادة التركيب.

قال توريانسكي: “أساليبنا قوية جدًا في تحديد العيوب التي تسبب فقدان الناقل”. “إنه لأمر مثير أن نرى النهج مطبقًا على واحدة من القضايا الحاسمة في عصرنا ، وهي التوليد الفعال للطاقة المتجددة.”

أظهر تشغيل عمليات المحاكاة أن العيوب الشائعة في كلتا المادتين تؤدي إلى مستويات قابلة للمقارنة (وحميدة نسبيًا) من إعادة التركيب. ومع ذلك ، يمكن أن يتفكك الجزيء العضوي في البيروفسكايت الهجين ؛ عندما يحدث فقدان ذرات الهيدروجين ، فإن “الشواغر” الناتجة تقلل الكفاءة بشدة. وبالتالي ، فإن وجود الجزيء يضر بالكفاءة الكلية للمادة ، وليس أحد الأصول.

لماذا ، إذن ، هذا لم يتم ملاحظته تجريبيا؟ ويرجع ذلك أساسًا إلى صعوبة زراعة طبقات عالية الجودة من المواد غير العضوية بالكامل. لديهم ميل لاعتماد هياكل بلورية أخرى ، وتعزيز تكوين الهيكل المطلوب يتطلب جهدًا تجريبيًا أكبر. أظهرت الأبحاث الحديثة ، مع ذلك ، أن تحقيق الهيكل المفضل أمر ممكن بالتأكيد. ومع ذلك ، تشرح الصعوبة سبب عدم تلقي البيروفسكايت غير العضوي بالقدر نفسه من الاهتمام حتى الآن.

واختتم فان دي والي “نأمل أن تحفز النتائج التي توصلنا إليها حول الكفاءة المتوقعة المزيد من الأنشطة الموجهة لإنتاج البيروفسكايت غير العضوي”.

المرجع: “بيروفسكايت هاليد غير عضوي بالكامل كمرشحين لخلايا شمسية فعالة” بقلم Xie Zhang و Mark E. Turiansky و Chris G. Van de Walle ، 11 أكتوبر 2021 ، تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

تم تمويل هذا البحث من قبل قسم الطاقة ، مكتب العلوم ، مكتب علوم الطاقة الأساسية ؛ تم إجراء الحسابات في مركز الحوسبة العلمية لبحوث الطاقة الوطنية.