يُظهر بحث جديد وعدًا كبيرًا لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية

يظهر بحث جديد أن الخلايا الشمسية غير العضوية بالكامل من البيروفسكايت تبشر بتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.

أثبتت البيروفسكايت الهجينة العضوية وغير العضوية بالفعل إنتاجية عالية جدًا من الخلايا الكهروضوئية ، تزيد عن 25 ٪. الحكمة السائدة في هذا المجال هي أن الجزيئات العضوية (التي تحتوي على الكربون والهيدروجين) في المادة ضرورية لتحقيق هذا الأداء المذهل ، حيث يُعتقد أنها تمنع إعادة تركيب الناقل المساعد افتراضيًا.

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

قال Xie Zhang ، الباحث الرئيسي في الدراسة: “لمقارنة المواد ، أجرينا محاكاة كاملة لآليات إعادة التركيب”. “عندما يضيء الضوء على مادة الخلايا الشمسية ، تولد الحاملات المولدة بالصور تيارًا ؛ إعادة التركيب على مستوى العيوب يدمر بعض هذه الحاملات وبالتالي يقلل من الفعالية. 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 الجزيء العضوي للميثيلامونيوم.

يعد فرز هذه العمليات تجريبيًا أمرًا صعبًا للغاية ، ولكن الحسابات الميكانيكية الكمومية المتطورة يمكن أن تتنبأ بدقة بمعدلات إعادة التركيب ، وذلك بفضل منهجية جديدة تم تطويرها في مجموعة مواد UCSB الأستاذ كريس فان دي وال ، الذي نسب الفضل إلى مارك توريانسكي ، وهو خريج أول طالب في المجموعة ، مما يساعد في كتابة الكود لحساب معدلات إعادة التركيب.

قال توريانسكي: “أساليبنا قوية جدًا في تحديد العيوب التي تسبب فقدان الوسائط”. “إنه لأمر مثير أن نرى النهج مطبقًا على واحدة من القضايا الحاسمة في عصرنا ، وهي الإنتاج 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 ينكسر الجزيء العضوي للبيروفسكايت الهجين ؛ عندما يحدث فقدان ذرات الهيدروجين ، فإن “الشواغر” الناتجة تقلل بشكل كبير من الكفاءة. 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 مواد غير عضوية تمامًا. إنهم يميلون إلى تبني هياكل بلورية أخرى ، ويتطلب تعزيز تكوين الهيكل المطلوب مزيدًا من الجهود التجريبية. أظهرت الأبحاث الحديثة ، مع ذلك ، أن إنشاء الهيكل المفضل أمر ممكن بالتأكيد. ومع ذلك ، تفسر الصعوبة سبب عدم تلقي البيروفسكايت غير العضوي بالقدر نفسه من الاهتمام حتى الآن.

واختتم فان دي والي حديثه قائلاً: “نأمل أن تحفز النتائج التي توصلنا إليها بشأن الفعالية المتوقعة المزيد من الأنشطة التي تهدف إلى إنتاج 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 ، العلوم الفيزيائية للعلاقات الخلوية.
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.