هناك شيء جديد تحت الشمس

ما هي الخصائص الخاصة التي تسمح للبيروفسكايت الهاليد بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بهذه الكفاءة؟

إنها "الشيء الكبير التالي" في مجال الطاقة الشمسية، ولكن ما هي الخصائص الخاصة التي تسمح لهذه المواد بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بهذه الكفاءة؟ دراسة جديدة أجراها علماء من معهد وايزمان تبدد بعض الغموض المحيط بالبيروفسكايت هاليد.

البيروفسكايت هي عائلة من المواد ذات بنية بلورية فريدة من نوعها، وتستخدم، من بين أمور أخرى، في صناعة الإلكترونيات. تم التعرف على معدن بهذا التركيب لأول مرة في جبال الأورال في روسيا عام 1839، وتم تسميته على اسم عالم المعادن الروسي الكونت ليف بيروفسكي.

وفي عام 2009، اكتشف علماء يابانيون أن البيروفسكايت هاليد - أي البيروفسكايت الذي يحتوي على ذرات الكلور أو البروم أو اليود في بلورته - قادر على امتصاص ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة كهربائية. ومنذ ذلك الحين، تقدمت الأبحاث في هذا المجال بوتيرة مذهلة، واليوم تتنافس عشرات الشركات حول العالم فيما بينها لتكون أول من ينتج الخلايا الشمسية من هذه المواد تجاريًا. وفي الوقت نفسه، يحاول العلماء، بما في ذلك الباحثون في معهد وايزمان، فهم ما الذي يجعل هذه المواد مميزة للغاية.

وقفزت كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت الهاليد من قيمة أولية تبلغ نحو 4% (وهو في حد ذاته معدل مرتفع لتجربة مادة جديدة)، إلى 22% في عام 2016. ويقول البروفيسور: "لم نشهد مثل هذه الزيادة الكبيرة من قبل". ديفيد كان من قسم المواد والسطوح، الذي قاد المجموعة البحثية مع أ.د. جيري هودز والبروفيسور ايجور لوبوميرسكي من نفس القسم و البروفيسور دان أورون من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة.

تتكون الخلايا الشمسية اليوم في معظمها من السيليكون، وتصل كفاءته إلى 17% في الخلايا التجارية و26.5% في الخلايا المنتجة في المختبر. يعتبر السيليكون فعالًا بشكل أساسي في تحويل طاقة الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء، ولكن ليس معظم موجات الضوء المرئية - وخاصة موجات الضوء في النطاق الأزرق والأخضر. يمكن أن تزيد البيروفسكايت الهاليد من الاستفادة من الضوء المرئي. وفي المستقبل سيكون من الممكن دمجها مع السيليكون، وبالتالي زيادة كفاءة الخلايا الشمسية.

علاوة على ذلك، يمكن إنتاج خلايا البيروفسكايت الشمسية بتكلفة زهيدة وببساطة في درجة حرارة الغرفة. وهذا على النقيض من خلايا السيليكون، التي يتطلب إنتاجها حرارة عالية وتكنولوجيا معقدة. يقول البروفيسور كان: "إن هايد بيروفسكايت هو حلم أصبح حقيقة في مجال المواد الإلكترونية الضوئية".

لكن مصدر الكفاءة العالية لهذه المواد ظل لغزا حتى الآن. بسبب الروابط الذرية الضعيفة نسبيًا، تكون البيروفسكايت الهاليدية ناعمة مثل الخشب أو العظام - وجزء من تركيبها الجزيئي غير منتظم. ومع ذلك، فهي تتنافس في خواصها الكهربائية وتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء مع أشباه الموصلات الصلبة ذات الجودة العالية.

وهي مواد غير تقليدية، لذا كان لا بد من طريقة غير تقليدية لاكتشاف خصائصها"

أحد التفسيرات التي تم اقتراحها هو أن البيروفسكايت هاليد لها خاصية تعرف باسم "الكهرباء الحديدية": أي، في وجود مجال كهربائي مرتفع بما فيه الكفاية، فإنها تصبح مستقطبة كهربائيا. لقد تم بذل العديد من الجهود لاختبار ما إذا كانت هذه الميزة تميز بالفعل البيروفسكايت الهاليد، ولكن لم يكن من الممكن اختبارها بالطرق المعتادة لأن المجال الكهربائي العالي دمرها.

ولكن كماتم الإبلاغ عنها مؤخرًا في المجلة العلمية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكيةوجد علماء المعهد طريقة للتغلب على المشكلة: فقد أجروا تجارب عند درجة حرارة منخفضة تصل إلى 70 درجة مئوية تحت الصفر، بحيث حافظت الظروف الباردة على استقرار المواد. بالإضافة إلى ذلك، قاموا بقياس موصلية المادة وليس تخزين الشحنة الكهربائية كما هو متعارف عليه في تجارب هذا النوع. وقد سمح لهم نمط الموصلية بإثبات أن هذه المواد هي بالفعل متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف.

وقدم العلماء دليلًا إضافيًا عن طريق حرق سطح المادة بالأسيتون. باستخدام هذه الطريقة، كشفوا عن وجود بنية نموذجية للمواد الكهروضوئية: وحدات هيكلية تسمى "المجالات القطبية" - نوع من "الطوب" المجهري يبلغ حجمه بضعة نانومترات أو ميكرونات وله شحنة سالبة على جانب واحد وشحنة موجبة. من جهة أخرى. يمكن لهذه الوحدات أن تمنع الإلكترونات المثارة بواسطة ضوء الشمس من العودة إلى حالتها النشطة السابقة. هذه الميزة قادرة على تقليل تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة بدلاً من الكهرباء بشكل كبير، وبالتالي يمكن أن تفسر الكفاءة غير المسبوقة للبيروفسكايت الهاليد.

يقول طالب البحث يفغيني راكيتا، المؤلف الأول للمقالة إلى جانب عالم الكلية الدكتور ديفيد أهارا: "هذه مواد غير تقليدية، وبالتالي كان من الضروري استخدام طريقة غير تقليدية لاكتشاف خصائصها". "هذا مزيج نادر للغاية: البيروفسكايت هاليد هي مواد لينة، لكنها تتصرف مثل أشباه الموصلات الصلبة الكلاسيكية." وشارك في الدراسة أيضًا إيلانا ميرزاده، وهدار كيسلسي، ويغال بيليج، وأمري بار إيلي.

تفتح نتائج البحث نافذة على معرفة خصائص أشباه الموصلات اللينة - وقد تساهم بشكل خاص في الفهم العميق للخاصية الكهروضوئية في هذه المواد. كما يعمل البحث على تطوير الفهم اللازم لتطوير الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت الهاليد.