يمكن للتصميم الجديد للخلايا الشمسية التي تستخدم مواد غير مكلفة ومتوافرة بشكل عام منافسة الخلايا التقليدية المصنوعة من السيليكون وحتى تفوقها.

استخدم العلماء القصدير وعناصر أخرى وفيرة لإنشاء أشكال جديدة من البيروفسكايت - وهي مادة بلورية ضوئية تكون أرق وأكثر مرونة وأسهل في التصنيع من بلورات السليكون. انهم تقرير بحثهم في مجلة علوم.

يقول المؤلف المشارك في الدراسة مايكل ماكغيه ، أستاذ علم وهندسة المواد في جامعة ستانفورد: "أظهرت أشباه الموصلات من بيروفسكايت وعدًا كبيرًا لإنتاج خلايا شمسية عالية الكفاءة بتكلفة منخفضة". "لقد قمنا بتصميم جهاز قوي ، allovsky perovskite يحول ضوء الشمس إلى كهرباء مع كفاءة 20.3 في المئة ، وهو معدل مماثل لخلايا السليكون الشمسية في السوق اليوم."

مكدس مزدوج perovskite

يتكون الجهاز الجديد من خليتين شمسيتين بيروفسكيت مكدستين بالترادف. تتم طباعة كل خلية على الزجاج ، ولكن يمكن استخدام نفس التقنية لطباعة الخلايا على البلاستيك.

يقول المؤلف هنري سنيث ، أستاذ الفيزياء في جامعة أكسفورد: "إن الخلايا الترادفية لكل بيروفسكيت التي أظهرناها بوضوح تحدد خارطة طريق للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لتقدم كفاءة نسبة 30". "هذه ليست سوى البداية."

أظهرت دراسات سابقة أن إضافة طبقة من البيروفسكايت يمكن أن تحسن من كفاءة الخلايا الشمسية السليكونية. ويقول علماء إن الجهاز الترادفي المكون من خانتين لكل-بيروفسكايت سيكون أرخص ثمنا أقل في استهلاك الطاقة.

"تبدأ لوحة السليكون الشمسية بتحويل صخرة السيليكا إلى بلورات السليكون من خلال عملية تنطوي على درجات حرارة أعلى من درجات 3,000 فهرنهايت (1,600 درجة مئوية)" ، كما يقول كوليد المؤلف توماس ليجينتس ، الباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد. "يمكن معالجة خلايا البيروفسكايت في مختبر من مواد شائعة مثل الرصاص والقصدير والبروم ، ثم طبع على الزجاج في درجة حرارة الغرفة".

تحدي صعب

لكن بناء جهاز ترادفي لكل فردات البسكوفسكي كان تحديًا صعبًا. المشكلة الرئيسية هي إنشاء مواد perovskite مستقرة قادرة على التقاط ما يكفي من الطاقة من الشمس لإنتاج جهد لائق.

تحضر خلية بيروفسكايت نموذجية الفوتونات من الجزء المرئي من الطيف الشمسي. يمكن للفوتونات ذات الطاقة الأعلى أن تسبب إلكترونات في بلورة بيروفسكيتيس للقفز عبر "فجوة الطاقة" وإنشاء تيار كهربائي.

يمكن لخلية شمسية ذات فجوة طاقة صغيرة أن تمتص معظم الفوتونات ولكنها تنتج فولطية منخفضة جدًا. فالخلية ذات الفجوة الأكبر في الطاقة تولد جهدًا أكبر ، ولكن الفوتونات الأقل طاقة تمر عبرها.

ويتألف الجهاز الترادفي الفعال من خليتين مثاليتين متطابقتين ، كما يقول المؤلف الرئيسي المشارك غايلز إيبيرون ، وهو باحث في جامعة أكسفورد لما بعد الدكتوراه في جامعة واشنطن.

يقول إيبيرون: "إن الخلية ذات الفجوة الأكبر في الطاقة سوف تمتص فوتونات الطاقة العالية وتولد جهدًا إضافيًا". "يمكن للخلية التي تحتوي على فجوة طاقة أصغر أن تحصد فوتونات لا تجمعها الخلية الأولى ولا تزال تنتج فولطية."

مشكلة الاستقرار

أثبتت الفجوة الأصغر أنها التحدي الأكبر للعلماء. من خلال العمل معًا ، استخدمت Eperon و Leijtens توليفة فريدة من القصدير والرصاص والسيزيوم واليود والمواد العضوية لإنشاء خلية فعالة ذات فجوة طاقة صغيرة.

يقول إيبيرون: "لقد طورنا بيروفسكايت جديدًا يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء منخفض الطاقة ويوفر كفاءة تحويل 14.8 بالمائة". "ثم قمنا بدمجها مع خلية perovskite تتكون من مواد مشابهة ولكن مع وجود فجوة طاقة أكبر."

النتيجة: جهاز ترادفي يتكون من خليتين من بيروفسكايت بكفاءة مشتركة بين 20.3 بالمائة.

"هناك الآلاف من المركبات المحتملة ل perovskites ،" يقول Leijtens ، "ولكن هذا واحد يعمل بشكل جيد للغاية ، أفضل قليلا من أي شيء قبل ذلك".

"غراء" خدعة يكبر الخلايا الشمسية perovskite أكبر

أحد الاهتمامات مع perovskites هو الاستقرار. الألواح الشمسية على سطح المبنى المصنوعة من السيليكون عادة ما تستمر لسنوات 25 أو أكثر. لكن بعض perovskites تتحلل بسرعة عند تعرضها للرطوبة أو الضوء. في التجارب السابقة ، وجد أن البيروفسكايت المصنوع بالقصدير غير مستقر بشكل خاص.

لتقييم الاستقرار ، أخضع فريق البحث كلا من الخلايا التجريبية لدرجات حرارة 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية) لمدة أربعة أيام.

وكتب الباحثون: "بشكل حاسم ، وجدنا أن خلايانا تتميز باستقرار حراري وجوي ممتاز ، لم يسبق له مثيل للبيروفسكايت القائم على القصدير".

"كفاءة جهازنا الترادفي هي بالفعل أكثر بكثير من أفضل الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب مع غيرها من أشباه الموصلات منخفضة التكلفة ، مثل الجزيئات العضوية الصغيرة والسيليكون microcrystalline" ، يقول ماكغي. "أولئك الذين يرون إمكانية إدراك أن هذه النتائج مذهلة."

الخطوة التالية هي تحسين تركيبة المواد لاستيعاب المزيد من الضوء وتوليد تيار أعلى من ذلك ، يقول Snaith.

ويضيف: "إن تنوع استخدامات البيروفسكايت ، وانخفاض تكلفة المواد والتصنيع ، إلى جانب إمكانية تحقيق كفاءات عالية للغاية ، سوف يكون تحويلاً للصناعة الضوئية بمجرد إثبات قابلية التصنيع والاستقرار المقبول أيضًا".

باحثون آخرون من ستانفورد وأكسفورد وجامعة هاسيلت في بلجيكا وشركة SunPreme هم مؤلفون مشاركون في الدراسة.

جاء التمويل من شركة Graphene Flagship ، و Leverhulme Trust ، ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية في المملكة المتحدة ، وبرنامج الإطار السابع للاتحاد الأوروبي ، و Horizon 2020 ، ومكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية ، ومشروع المناخ والطاقة العالمي في ستانفورد.

المصدر جامعة ستانفورد

كتب ذات صلة:

at سوق InnerSelf و Amazon