الصين،يوليو 2025: أصبحت خلايا البيروفسكايت والسيليكون الشمسية الترادفية محط اهتمام بحثي عالمي في مجال الخلايا الكهروضوئية المتقدمة، وذلك لقدرتها الكامنة على تجاوز حد الكفاءة النظري الذي وضعه شوكلي-كويسر (Shockley-Queisser) للخلايا الشمسية أحادية الوصلة>
تواجه الخلايا الشمسية التقليدية أحادية الوصلة المصنوعة من السيليكون معوقات في الكفاءة ناتجة عن ضياعات حرارية للفوتونات ذات الطول الموجي القصير. ولمعالجة هذه المشكلة، يقترح الباحثون دمج مادة البيروفسكايت ذات فجوة النطاق الواسعة مع السيليكون لبناء خلايا شمسية ترادفية، مما يقلل بشكل فعال من ضياعات التحرير الحراري لحاملات الشحنة ويزيد من استغلال الطاقة الشمسية إلى أقصى حد ممكن لتحقيق طفرة في كفاءة تحويل الطاقة. ومن المسلّم به على نطاق واسع أن الخلايا الشمسية الترادفية تمثل الجيل التالي من تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية فائقة الكفاءة.
في السنوات الأخيرة، حدث تقدم كبير في مجال خلايا البيروفسكايت والسيليكون الشمسية الترادفية. ومع ذلك، لا تزال الخلايا الفرعية المصنوعة من البيروفسكايت ذات فجوة النطاق الواسعة تعاني من إعادة اتحاد شُحنات غير إشعاعي خطير عند السطوح البينية، ويشمل ذلك بشكل أساسي إعادة الاتحاد عند السطح البيني بين طبقة البيروفسكايت وطبقة نقل الإلكترونات (ETL)، بالإضافة إلى إعادة الاتحاد الناتجة عن عدم كفاية التطابق وعدم انتظام تغطية طبقة نقل الفجوات (HTL) على الركائز ذات الأسطح المحكمة.
في سبتمبر 2024، نشر فريق أبحاث الخلايا الترادفية في لونجي دراسة تاريخية في مجلة “Nature”. من خلال استغلال طبقة رقيقة جداً من فلوريد الليثيوم موزعة بشكل متقطع على نطاق النانو، يتبعها ترسيب إضافي لجزيئات ثنائي أمونيوم ثنائي يوديد، ابتكر الباحثون استراتيجية تخميل متشابكة ثنائية الطبقة تجمع بين الاستخلاص الفعال للإلكترونات وزيادة تثبيط إعادة الاتحاد غير الإشعاعي. وقد أدت هذه الطفرة إلى رفع كفاءة خلايا البيروفسكايت والسيليكون الترادفية لتصل إلى 33.9%، وهي أول كفاءة معتمدة يتم الإبلاغ عنها لخلية شمسية ترادفية ثنائية الوصلة تتجاوز حد شوكلي-كويسر للخلايا أحادية الوصلة البالغ 33.7%. ويعد هذا العمل إنجازاً بارزاً في مجال الخلايا الكهروضوئية.
لمعالجة مشكلة إعادة الاتحاد غير الإشعاعي عند السطح البيني المدفون، تعاون فريق أبحاث لونجي مع جامعة سوتشو (Soochow University) لتحقيق تقدم ثوري في تصميم جزيئات عضوية جديدة ذاتية التجميع (SAM) وخلايا البيروفسكايت والسيليكون الترادفية. وبخلاف معظم جزيئات SAM القائمة على الكاربازول، والتي تتميز ببنية جزيئية متناظرة حيث ترتبط ذرات النيتروجين بمجموعات حمض الفوسفونيك المثبتة، قام باحثو لونجي ببناء جزيء SAM غير متناظر قائم على الكاربازول (HTL201) يدمج فواصلاً ومجموعات حمض الفوسفونيك المثبتة على جانبي حلقة الفينيل لنواة الكاربازول، ليعمل كطبقة انتقائية للفجوات في الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون.
يتيح التكوين غير المتناظر لجزيء HTL201 تحسين التغطية والانتظام على ركائز السيليكون ذات الأسطح المحكمة، مع تحسين محاذاة مستويات الطاقة عند السطح البيني. وفي الوقت نفسه، يقلل التآزر القوي بين HTL201 وطبقة البيروفسكايت من إعادة الاتحاد غير الإشعاعي عند السطح البيني المدفون بشكل فعال.
ومن خلال دمج جزيء HTL201 مع خلايا سفلية من السيليكون غير المتبلور (heterojunction) ذات أسطح محكمة على كلا الجانبين، نجح الفريق في تصنيع خلايا شمسية ترادفية من البيروفسكايت والسيليكون بجهد كهربائي مذهل يقارب 2 فولط، مما أدى إلى كفاءة تحويل طاقة معتمدة (PCE) تصل إلى 34.6%. يقدم هذا البحث حلولاً تقنية حاسمة لتطوير مواد SAM جديدة وزيادة كفاءة خلايا السيليكون والبيروفسكايت الترادفية.
نُشر هذا العمل في مجلة “Nature” في 7 يوليو 2025 تحت عنوان “خلية بيروفسكايت/سيليكون ترادفية عالية الكفاءة مع جزيء غير متناظر ذاتي التجميع”. وتمثل هذه الدراسة تقدماً جوهرياً في هندسة السطوح البينية للخلايا الكهروضوئية فائقة الكفاءة.
قبل هذا الإنجاز بفترة وجيزة، تعاونت لونجي مع معهد تشانغتشون للكيمياء التطبيقية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وفرق بحثية أخرى لتطوير جزيئات SAM ثنائية الجذر (diradical SAMs) من خلال استراتيجية الاقتران المستوي المترافق بين المانح والمستقبل. وتُظهر هذه المادة خصائص استثنائية في نقل حاملات الشحنة، واستقراراً هيكلياً ملحوظاً في ظل ظروف التشغيل الفعلية، وانتظاماً فائقاً في التجميع، مما يتيح تحقيق تقدم كبير في كل من كفاءة واستقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية. وقد نُشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة “Science” في 26 يونيو 2025 تحت عنوان “جزيئات عضوية ثنائية الجذر مستقرة ومنتظمة ذاتية التجميع للخلايا الكهروضوئية من البيروفسكايت”.
حتى الآن، كشف فريق أبحاث الخلايا الترادفية في لونجي عن ثلاثة ابتكارات أساسية لصناعة الطاقة الكهروضوئية العالمية من خلال منشورات في مجلات علمية مرموقة، والتي تتوافق مع كفاءاتهم القياسية العالمية البالغة 33.9% و 34.2% و 34.6% (المدرجة في الإصدارات 63 و 64 و 65 من جداول كفاءة الخلايا الشمسية لمارتن غرين على التوالي): استراتيجية التخميل المتشابكة ثنائية الطبقة للسطوح البينية العلوية، وجزيئات SAM المستقرة المترابطة بين المانح والمستقبل (D-A)، ومواد نقل الفجوات من نوع SAM غير المتناظرة.
تُظهر هذه السلسلة من المنشورات نموذج التعاون بين الصناعة والأوساط الأكاديمية الذي تتبعه لونجي مع مؤسسات مثل جامعة سوتشو ومعهد تشانغتشون للكيمياء التطبيقية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم. ومن خلال مواجهة التحديات التكنولوجية الحاسمة عبر الابتكار المنسق، يقدم الفريق مساهمات كبيرة في بناء منظومة متكاملة للخلايا الترادفية في الصين – مما يربط بين الصناعة والأوساط الأكاديمية والبحث والتطبيق من أجل تحقيق تقدم مستدام.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: نشرة رسمية
