يمكن أن يؤدي اختراق UCLA إلى خلايا شمسية أكثر متانة وأقل تكلفة
يمكن أن ينتج عن استخدام هاليد بيروفسكايت المعزز بدلاً من السيليكون أجهزة أقل تكلفة تتحمل الضوء والحرارة بشكل أفضل.
وسط كل الجهود المبذولة لتحويل إمدادات الطاقة في البلاد إلى مصادر متجددة، لا تزال الطاقة الشمسية تمثل أقل بقليل من 3٪ من الكهرباء المولدة في الولايات المتحدة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى التكلفة العالية نسبيًا لإنتاج الخلايا الشمسية.
تتمثل إحدى طرق خفض تكلفة الإنتاج في تطوير خلايا شمسية تستخدم مواد أقل تكلفة من النماذج الحالية القائمة على السيليكون.
لتحقيق ذلك، ركز بعض المهندسين على هاليد بيروفسكايت ، وهو نوع من المواد التي يصنعها الإنسان مع بلورات متكررة على شكل مكعبات.
من الناحية النظرية، يمكن تصنيع الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت من مواد خام تكلفتها أقل وتكون متاحة بسهولة أكبر من السيليكون. كما يمكن إنتاجها باستخدام طاقة أقل وعملية تصنيع أبسط.
ولكن حتى الآن، كان حجر العثرة يتمثل في أن البيروفسكايت ينهار بسبب التعرض للضوء والحرارة – خاصة بالنسبة للأجهزة التي تهدف إلى توليد الطاقة من الشمس.
Yepin Zhao ، باحث ما بعد الدكتوراه بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس والمؤلف الأول للدراسة، يحمل خلية شمسية قائمة على البيروفسكايت. الائتمان: Yang Lab / UCLA
الآن، طور تعاون بحثي دولي بقيادة جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس طريقة لاستخدام البيروفسكايت في الخلايا الشمسية مع حمايتها من الظروف التي تتسبب في تدهورها.
في دراسة نُشرت مؤخرًا في Nature Materials ، أضاف العلماء كميات صغيرة من الأيونات – الذرات المشحونة كهربائيًا – من معدن يسمى نيوديميوم إلى البيروفسكايت مباشرةً.
وجدوا ليس فقط أن البيروفسكايت المعزز أكثر متانة عند تعرضه للضوء والحرارة، ولكن أيضًا أنه يحول الضوء إلى كهرباء بشكل أكثر كفاءة.
قال المؤلف المقابل يانغ يانغ ، كارول ولورنس إي تاناس ، أستاذ الهندسة في كلية سامويلي للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وعضو في معهد كاليفورنيا للنظم النانوية في جامعة كاليفورنيا: “الطاقة المتجددة مهمة للغاية”.
“سوف يغير البيروفسكايت قواعد اللعبة لأنه يمكن إنتاجه بكميات كبيرة بطريقة لا يستطيع السيليكون إنتاجها، وقد حددنا مادة مضافة ستجعل المادة أفضل.”
ترجع قدرة هاليد بيروفسكايت على تحويل الضوء إلى كهرباء إلى الطريقة التي تشكل بها جزيئاته شبكة متكررة من المكعبات.
يتم تثبيت هذا الهيكل معًا بواسطة روابط بين الأيونات ذات الشحنات المعاكسة.
لكن الضوء والحرارة يميلان إلى التسبب في خروج أيونات سالبة الشحنة من البيروفسكايت ، مما يضر بالبنية البلورية ويقلل من خصائص تحويل الطاقة للمادة.
مخططات توضح بنية جزيء البيروفسكايت غير المتغير (يسار) مع انتقال أيونات اليود (أرجوانية) بعيدًا؛ وجزيء بيروفسكايت مع أيونات نيوديميوم (حمراء) مضافة للمساعدة في الاحتفاظ بأيونات اليود. الائتمان: Yang Lab / UCLA
يشيع استخدام النيوديميوم في الميكروفونات ومكبرات الصوت والليزر والزجاج الزخرفي.
أيوناتها هي فقط الحجم المناسب لتوضع داخل بلورة بيروفسكايت مكعبة، وتحمل ثلاث شحنات موجبة، والتي افترض العلماء أنها ستساعد في تثبيت الأيونات سالبة الشحنة في مكانها.
أضاف الباحثون حوالي ثماني أيونات نيوديميوم لكل 10000 جزيء من البيروفسكايت ثم اختبروا أداء المادة في الخلايا الشمسية.
تعمل الخلية الشمسية التي تستخدم البيروفسكايت المعزز بأقصى طاقة وتتعرض للضوء المستمر لأكثر من 1000 ساعة، وتحتفظ بحوالي 93٪ من كفاءتها في تحويل الضوء إلى كهرباء.
في المقابل، فقدت الخلية الشمسية التي تستخدم البيروفسكايت القياسي نصف كفاءة تحويل الطاقة بعد 300 ساعة في نفس الظروف.
قام الفريق أيضًا بتسليط الضوء المستمر على الخلايا الشمسية دون أي معدات سحب طاقة، مما يسرع من تحلل البيروفسكايت.
احتفظ الجهاز الذي يستخدم البيروفسكايت مع النيوديميوم بنسبة 84٪ من كفاءة تحويل الطاقة بعد أكثر من 2000 ساعة، في حين أن الجهاز الذي يحتوي على مادة البيروفسكايت القياسي لم يحتفظ بأي من كفاءته بعد تلك الفترة الزمنية.
لاختبار قدرة المادة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة، قام الباحثون بتسخين الخلايا الشمسية بكلتا المادتين إلى حوالي 180 درجة فهرنهايت.
احتفظت الخلية الشمسية التي تحتوي على مادة البيروفسكايت المعزز بحوالي 86٪ من كفاءتها بعد أكثر من 2000 ساعة، بينما فقد جهاز البيروفسكايت القياسي قدرته تمامًا على تحويل الضوء إلى كهرباء خلال تلك الفترة.
في العديد من الدراسات السابقة التي تهدف إلى جعل البيروفسكايت أكثر متانة، جرب الباحثون إضافة طبقات واقية للمادة، لكن هذا فشل إلى حد كبير.
جاءت فكرة زيادة المادة نفسها من المؤلف الرئيسي ييبين جاو، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر يانغ.
قال Zhao إنه استوحى من تقنية شائعة الاستخدام في إنتاج أشباه موصلات السيليكون – إضافة كميات صغيرة من المركبات الأخرى لتعديل خصائص المادة.
قال تشاو: “تميل الأيونات إلى التحرك عبر البيروفسكايت مثل السيارات على الطريق السريع، وهذا يتسبب في تحلل المادة”. “باستخدام النيوديميوم ، حددنا حاجزًا لإبطاء حركة المرور وحماية المواد.”
قال يانغ إن التقدم يمكن أن يساعد خلايا البيروفسكايت الشمسية في الوصول إلى السوق في غضون عامين إلى ثلاثة أعوام مقبلة.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
