إنكلترا: اكتشاف حركية جديدة لحاملات الشحنة في خلايا بيروفسكيت الكهروضوئية

سولارابيك – إنكلترا –  20 ديسمبر 2019: نشر العلماء في جامعتي كامبريدج وأوكسفورد ورقة بحثية جديدة تتحدث عن مدى اختلاف حركية الالكترونات في خلايا البيروفسكيت وكيف سيغير هذا الاختلاف من نظرتنا للخلايا الكهروضوئية. وهذه الورقة كشفت عن إمكانية تغير تفكير العلماء وفهمهم لعمل الخلية الكهروضوئية.

تعد تقنية خلايا البيروفسكيت – Perovskite من تقنيات الخلايا الكهروضوئية التي تعتمد في تركيبها على الهاليدات وتعتبر مغايرة لتقنيات الخلايا الكهروضوئية المعمول بها منذ أكثر من ثلاثين عام، وبالإضافة لكونها تحتوي على العديد من العيوب والاضطرابات على المستوى المجهري إلا أنها تتمتع بكفاءة عالية بالمقارنة مع تقنيات الخلايا الأخرى.

المشاكل التي واجهت العلماء عند دراسة خلايا بيروفسكيت

قد سعى العلماء والباحثون منذ اكتشاف خلايا بيروفسكيت Perovskite إلى التعمق في الأبحاث لفهم آلية عمل حاملات الشحنة داخلها وكيفية حركتها. ومن هذا المنطلق في البحث توصل العلماء في جامعتي كامبريدج وأوكسفورد لاكتشاف جديد يتعلق بديناميكية حركة حاملات الشحنة في الزمكان.

تتعارض نوعية هذا الاضطراب مع أنصاف النواقل اللاعضوية التقليدية المستخدمة حالياً في تصنيع الالكترونات بالإضافة إلى أن عملية تشكيل لهذه الخلايا تجعله من الصعب تحديد ثوابت النقل مكانياً والتي تعد أساسياً لتحسين بنية الجهاز (الخلية).

نعلم أن أداء أنصاف النواقل يتم تحديده بشكل أساسي بديناميكية حركة حاملات الشحنات ضمن المادة نفسها، وبالرغم من أن العديد من الباحثين حاولوا الحصول على فهم أكبر لهذه الديناميكية ولكن كلما ازدادت الأبحاث ازدادت الأسئلة.

فعلى سبيل المثال، تنتقل حاملات الشحنة (الالكترونات على سبيل المثال) بشكل مقذوفات عبر هذه المواد، بشكل يعرف باسم الانتشار الباليستي (Ballistic Propagation)، ولكن هذه الآلية لا تعلب دوراً في تفعيل عمل الخلايا الكهروضوئية والدايودات الباعثة للضوء، وهذا بسبب تعطل عملية الانتشار لحاملات الشحنة بسرعة كبيرة بعد تولدها عبر عملية تعرف باسم التشتت (Scattering).

البحث الجديد عن حركية الالكترونات

قام فريق من الباحثين في جامعة كامبريدج وجامعة أوكسفورد بإجراء دراسة تهدف لتحقيق اكتشافات أكثر تتعلق بديناميكية و حركية الالكترونات (حاملات الشحنة) ضمن المواد المشكلة خلايا البيروفسكيت – Perovskite. وتم نشر هذه الدراسة في مجلة (Nature Physics)، وركز البحث على ديناميكية الزمكان لحاملات الشحنة لحظة امتصاص الفوتونات من قبل يوديد رصاص الميثالامنيوم والذي يشكل الطبقة الماصة في إحدى خلايا البيروفسكيت – Perovskite.

استخدم الباحثون مجهرًا بصريًا مُحللًا بدقة زمنية دقيقة ودقة مكانية نانومترية للتحقق من ديناميكية الزمكان لحاملات الشحنة في خلايا البيروفسكيت من يوديد رصاص الميثالامنيوم، وقاموا باستخدام مضخة إشعاع محدودة مكانياً بشكل كبير على مقياس 200 نانومتر وذلك لإثارة المواد مما نتج عنه توليد الكترونات محفزة (مثارة) ضمن مساحة صغيرة من العينة المستخدمة.

إن الدقة المكانية المحققة بواسطة المجهر البصري سمحت للباحثين لتحديد الديناميكية على مقاييس صغيرة جداً مثل 10 نانومتر داخل المادة. وباستخدام تقنية الفصل الزمني البصري والدقيق جداً تمكن الباحثون بشكل مباشر تخيل حركة الالكترونات حتى خلال بضع عشرات فيمتوثانية (1 ثانية= 10-15 ثانية).

نتائج البحث عن حركية الالكترونات

لاحظ الباحثون أن الالكترونات تحركت بسرعة بلغت (5×106 متر بالثانية) في مسافة قدرها 150 نانومتر وهذه السرعة تعادل حوالي 1% من سرعة الضوء في مسافة 150 نانومتر.

تشير هذه السرعة الهائلة أن الالكترونات تتحرك بشكل يشبه الموجة داخل هاليد خلايا البيروفسكيت كما وصفت نظريات ميكانيك الكم أن الالكترون ذو طبيعتين يسلك سلوك موجة ويسلك سلوك جزئ.

تعليقات الباحثين

يمكن تسجيل الديناميكية المكانية للالكترونات المولدة نتيجة امتصاص الفوتونات عن طريق شعاع مسبار غير مركز على المادة وتعديل التأخير الزمني بالنسبة لعلمية ضخ الاشعاع.

وبما أننا نقارن تغير توزيع الشحنات عبر الزمن فإن الدقة المكانية غير محدودة بحدود الانحراف البصري بل بدقة القياس.

وبشكل مثير للاهتمام فإن، مواد خلية البيروفسكيت المكونة من خليط هجين لمواد عضوية وغير عضوية هاليدية يمكن أن تظهر حركية الالكترونات ديناميكية سريعة جداً وغنية ضمن نطاق زمني أقل من 200 فيمتوثانية، هذا الأمر الذي كان مجهولاً حتى الان. لذلك سعينا لاستخدام مسبار مباشر لتخيل سلوك حاملات الشحنة المولدة بتأثير الفوتونات داخل هذه المواد على مقياس الفيمتوثانية، إلى جانب دقة مكانية نانومترية.

والآن بعد أن اكتشفنا نظام نقل لامثيل له، سنبدأ بالنظر لمواد أخرى لمعرفة إذا كان هنالك قاعدة تصميم كونية توضح شكل عملية النقل البالستية (ballistic transport). وإذا تمكنا من تأسيس رابطة كونية كهذه، فقد يثبت هذا الأمر أنه خطوة تحويلية في طريقة تفكيرنا في تصميم الخلايا الشمسية مستقبلاً.

في النهاية سيكون لهذه الملاحظات تأثيرات مهمة على تطوير تقنيات جديدة، وقد نتوصل في النهاية إلى إعادة تقييم للنظريات الحالية الموجودة لكيفية عمل الخلايا الكهروضوئية بأنواعها سواء كانت خلايا بيروفسكيت أو خلايا مصنوعة من مواد أنصاف ناقلة لاعضوية أخرى.

في الواقع على عكس معظم الدراسات السابقة تقترح هذه الاكتشافات أن هذا السلوك الكمي موجود في أغلب الخلايا الكهروضوئية العاملة.

تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…

نتمنى لكم يوما مشمساً!

المصدر: مجلة nature physics.
موقع phys.org

Image Credits: University of Oxford Press Office

حنا ندروس

مهندس طاقة كهربائية محرر في القسم التعليمي وأخبار الطاقة المتجددة ومهتم بأبحاث الطاقة المتجددة بشكل عام والطاقة الشمسية بشكل خاص.

اترك تعليقاً

You have to agree to the comment policy.