سبر التأثير الجزيئي على البيروفسكايت الهجين

لم يكن العلماء بحاجة لأكثر من خمس سنوات لتحسين فاعلية خلية الطاقة الشمسية التي تدمج مادة البيروفسكايت الهجينة إلى أكثر من 20% في يومنا هذا، بعد أن كانت تبلغ 3,8% فقط عام 2009. أما فاعلية السيليكون –المادة المعروفة المستعملة حاليًّا في الخلايا الشمسية– فبالكاد تجاوزت الـ25% خلال الخمس عشرة سنة الماضية.

وحاليًّا، يعمد الباحثون إلى استكشاف البيروفسكايت الهجين على المستوى الجزيئي؛ على أمل معرفة ما يكفي للاستفادة من كامل قدراته.

على الرغم من فاعليتها، فقد أظهرت مادة البيروفسكايت الهجينة عدم ثباتها في الأوساط الرطبة، وهي تحتوي أيضًا على الرصاص، العنصر السامّ، كما تشرح المختصة بالفيزياء الحاسوبية فدوى الملوحي، من معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة (QEERI). "لكي يتمكن العلماء من تصميم بيروفسكايت ثابت خالٍ من الرصاص، يتعين عليهم أولاً فهم طريقة عمل هذه المواد".

لذا استخدم فريق من العلماء -من معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة في الدوحة، وكلية ترينيتي في دبلن- نمذجة الكمّ الميكانيكية الحاسوبية لدراسة بنية بيروفسكايت مثيل ألومنيوم الرصاص ثلاثي اليوديد: مركب منضَّد في بنية شبه بلورية يتكون من الجزيء العضوي، ومثيل الألومنيوم، والبلورات غير العضوية شبه الموصلة، ثلاثي يوديد الرصاص.

في سعيهم لفهم طريقة عمل الخصائص الإلكترونية والبصرية للبيروفسكايت الهجين في جمع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى كهرباء، وجدوا أن مكوِّنَي المادة أديا أدوارًا تكميلية. فالمكوّن غير العضوي من بلورات البيروفسكايت، الرصاص ثلاثي اليوديد، هو المسؤول عن الاحتفاظ بالضوء. وفي نفس الوقت، يطيل توجه الجزء العضوي من المركب من عمر الإلكترونات المفعّلة ضوئيًّا، مساندًا جمعها ككهرباء، ورافعًا من الكفاءة الفوتوفولطية للبيروفسكايت الهجين.

تشرح الملوحي أن "ما يجعل هذه المادة مختلفة عن المواد الأخرى الجامعة للطاقة الشمسية، هو أن البنية الإلكترونية لهذه البلورات الهجينة تتغير بسبب الحركة المحفزة حراريًّا للجزيئات [العضوية]". وهذا بالنتيجة يسهل نقل الإلكترونات وجمعها كتيّار ضوئي.

يقول نوار تابت -عالم المواد في معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة-: إنه في حين أن خصائص السيليكون مفهومة بشكل جيد جدًّا، فما زلنا بحاجة لمعرفة المزيد عن البنية الجزيئية للبيروفسكايت التي تجعل أداءها على درجة عالية من الجودة؛ لكي يتمكن مهندسو المواد من تصميم خلايا شمسية ذات خصائص نموذجية لتحويل الطاقة الشمسية.

يعتزم الفريق متابعة نمذجة المحاكاة الحاسوبية ليتمكن من معرفة المزيد عن البنية الجزيئية للبيروفسكايت الهجين، وعن عمله، ولإجراء تجارب على تركيب المواد. كما تقول الملوحي: "الآن وقد أصبحنا نفهم كيف تعمل هذه المواد الجديدة، يمكننا تصميم مركبات جديدة لاستعمالها من أجل جمع الطاقة الشمسية بتكلفة أقل من خلايا الطاقة الشمسية السيليكونية".

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.