طوّر فريق بحثي من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) ومعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) وجامعة فرايبورج طريقة مبتكرة تعزز من كفاءة واستقرار الخلايا الشمسية.
وتعتمد التقنية على معالجة طبقة البيروفسكايت بمركب كيميائي مبتكر (PDAI)، ما أدى إلى تحقيق كفاءة تحويل قياسية بلغت 33.1% وجهد كهربائي مفتوح الدارة بلغ 2.01 فولت، وهما من المؤشرات الحاسمة لأداء الخلايا الشمسية.
وأثبتت الخلايا المعالجة قدرتها على العمل بكفاءة عالية في ظروف مناخية قاسية، في درجات حرارة تتجاوز 40 درجة مئوية، ولمدة فاقت 1500 ساعة، ما يعزز فرص استخدامها في مشاريع الطاقة الشمسية واسعة النطاق.
جدير بالذكر أن الحرارة الشديدة تتسبب عادة في إضعاف الخلايا الشمسية نتيجة ارتفاع حرارة مكوناتها الإلكترونية. ومن المتوقع أن يسهم هذا الاكتشاف في توفير مليارات الدولارات للدول التي تتبنى الطاقة الشمسية.
وبيّنت هذه الكفاءة سبب الاستثمار الكبير للصناعة في “خلايا بيروفسكايت-سيليكون المترابطة” مقارنة بالخلايا السيليكونية التقليدية، التي لا تتجاوز كفاءتها الفيزيائية %30، إذ يتيح الجمع بين خلية بيروفسكايت وخلية سيليكون في تصميم مترابط الاستفادة المثلى من الطيف الشمسي، ما يسمح بالتقاط طاقة أكبر من ضوء الشمس.
وفي سياق الإنتاج واسع النطاق لهذه الخلايا المترابطة، يُعد استخدام خلية سيليكونية تقليدية للطبقة السفلية خياراً عملياً بفضل رسوخ تقنيات تصنيعها، غير أن هذه الخلايا تُنقش عادةً بسطح هرمي لزيادة المساحة السطحية وتحسين الكفاءة، وهو ما يعقد ترسيب طبقة البيروفسكايت على هذا السطح. وحتى وقت قريب، لم يكن قد تحقق تمرير سطحي (Passivation) عالي الجودة لطبقة البيروفسكايت على هذه الأسطح الهرمية.
“مركب PDAI”
قال الدكتور أسامة الراجي، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة وعالم في معهد فراونهوفر (ISE): “حتى الآن، لم يُستغل التمرير السطحي بفاعلية في خلايا بيروفسكايت-سيليكون المترابطة ذات السطح المنقوش، إذ اقتصرت النجاحات السابقة غالباً على التصاميم المسطحة. لكننا تمكنّا من تحقيق تمرير ممتاز عبر ترسيب مركب 1,3-Diaminopropane Dihydroiodide (PDAI) على سطح البيروفسكايت غير المستوي”.
وأوجد مركب الـPDAI تأثيراً كهربائياً مفيداً عبر طبقة البيروفسكايت بأكملها، وعلى عكس الخلايا السيليكونية التقليدية حيث يقتصر تأثير المعالجة على السطح، فقد حسّنت معالجة طبقة البيروفسكايت بالـPDAI من خصائص المادة نفسها، ما رفع من قدرة توصيلها الكهربائي وكفاءتها الكلية.
وأضاف الراجي: “كانت التجارب التي أُجريت في كاوست حاسمة، إذ إن الجمع بين الخبراء متعددي التخصصات والبنية التحتية البحثية عالمية المستوى ساهم إلى حد بعيد في تسريع وتيرة البحث”.
من جانبه، قال ستيفان دو وولف من “كاوست”، وهو مؤلف رئيسي آخر: “يُعتبر هذا الإنجاز أساساً قوياً للأبحاث المستقبلية في هذا المجال. فقد ساهم في تعزيز فهمنا للعمليات التي تحدث في الطبقة العلوية في أثناء تحويل الضوء إلى كهرباء، مما يمكّن العلماء من استخدام هذه المعرفة لتطوير خلايا مترابطة بشكل أفضل”.
