استخدام العناصر الأرضية النادرة للتغلب على قيود الخلايا الشمسية
تتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية بمزايا تتفوق بها على تقنيات الخلايا الشمسية الحالية. فهي تتمتع بكفاءة أعلى، ووزن أخف، وتكلفة أقل من الأنواع الأخرى. في خلية البيروفسكايت الشمسية، تُوضع طبقة البيروفسكايت بين قطب كهربائي شفاف في المقدمة وقطب كهربائي عاكس في الجزء الخلفي من الخلية. يتم إدراج طبقات نقل الأقطاب الكهربائية ونقل الفتحات بين واجهات الكاثود والأنود، مما يسهل جمع الشحنة عند الأقطاب الكهربائية. هناك أربعة تصنيفات للخلايا الشمسية البيروفسكايتية على أساس بنية مورفولوجيا وتسلسل طبقة طبقة نقل الشحنة: مستوية منتظمة، مستوية مقلوبة، مسامية منتظمة، وهياكل مسامية مقلوبة. ومع ذلك، لهذه التقنية عيوب عديدة. فالضوء والرطوبة والأكسجين قد يُسببان تحللها، وقد يكون امتصاصها غير متوازن، كما أنها تُعاني من مشاكل في إعادة تركيب الشحنات غير الإشعاعية. كما أن البيروفسكايتات قد تتآكل بفعل الإلكتروليتات السائلة، مما يُؤدي إلى مشاكل في استقرارها. لتحقيق تطبيقاتها العملية، لا بد من تحسين كفاءتها في تحويل الطاقة واستقرارها التشغيلي. ومع ذلك، فقد أدت التطورات التكنولوجية الحديثة إلى إنتاج خلايا شمسية من البيروفسكايت بكفاءة 25.5%، مما يعني أنها قريبة من خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية السيليكونية التقليدية. ولتحقيق هذا الهدف، تم استكشاف العناصر الأرضية النادرة لتطبيقاتها في خلايا البيروفسكايت الشمسية. تتمتع هذه العناصر بخصائص ضوئية فيزيائية تُمكّنها من التغلب على هذه المشاكل. وبالتالي، فإن استخدامها في خلايا البيروفسكايت الشمسية سيُحسّن خصائصها، مما يجعلها أكثر قابلية للتطبيق على نطاق واسع في حلول الطاقة النظيفة. كيف تساعد العناصر الأرضية النادرة خلايا البيروفسكايت الشمسية تتمتع العناصر الأرضية النادرة بالعديد من الخصائص المفيدة التي يمكن استخدامها لتحسين أداء هذا الجيل الجديد من الخلايا الشمسية. أولًا، تتميز أيونات العناصر الأرضية النادرة بإمكانية عكسية جهدي الأكسدة والاختزال، مما يقلل من أكسدة واختزال المادة المستهدفة نفسها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تنظيم تكوين الأغشية الرقيقة بإضافة هذه العناصر عن طريق اقترانها مع كل من البيروفسكايت وأكاسيد المعادن الناقلة للشحنات. علاوةً على ذلك، يُمكن تعديل بنية الطور والخصائص البصرية الإلكترونية عن طريق تضمينها استبداليًا في الشبكة البلورية. ويُمكن تحقيق تخميل العيوب بنجاح عن طريق تضمينها في المادة المستهدفة، إما بينيًا عند حدود الحبيبات أو على سطح المادة. علاوة على ذلك، يمكن تحويل الفوتونات تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء مرئي يستجيب للبيروفسكايت بسبب وجود العديد من مدارات الانتقال النشطة في أيونات الأرض النادرة. ميزتان لهذا: فهو يمنع تلف البيروفسكايت بفعل الضوء عالي الكثافة، ويوسع نطاق الاستجابة الطيفية للمادة. كما أن استخدام العناصر الأرضية النادرة يُحسّن استقرار وكفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل ملحوظ. تعديل أشكال الأغشية الرقيقة كما ذُكر سابقًا، يُمكن للعناصر الأرضية النادرة أن تُغيّر مورفولوجيا الأغشية الرقيقة المُكوّنة من أكاسيد معدنية. ومن المُوثّق جيدًا أن مورفولوجيا طبقة نقل الشحنة الأساسية تُؤثّر على مورفولوجيا طبقة البيروفسكايت واتصالها بطبقة نقل الشحنة. على سبيل المثال، يمنع التنشيط بأيونات العناصر الأرضية النادرة تجمع جسيمات أكسيد القصدير النانوية التي قد تُسبب عيوبًا هيكلية، كما يُخفف من تكوّن بلورات أكسيد النيكل الكبيرة، مُكوّنًا طبقةً موحدةً ومتماسكةً من البلورات. وبالتالي، يُمكن الحصول على أغشية رقيقة من هذه المواد خاليةً من العيوب باستخدام التنشيط بأيونات العناصر الأرضية النادرة. بالإضافة إلى ذلك، تلعب طبقة السقالة في خلايا البيروفسكايت ذات البنية المسامية المتوسطة دورًا هامًا في التلامس بين البيروفسكايت وطبقات نقل الشحنة في الخلايا الشمسية. قد تُظهر الجسيمات النانوية في هذه الهياكل عيوبًا شكلية وحدودًا حبيبية متعددة. يؤدي هذا إلى إعادة تركيب شحنات غير إشعاعية ضارة وخطيرة. كما يُمثل ملء المسام مشكلة. يُنظم التطعيم بأيونات العناصر الأرضية النادرة نمو الهيكل ويقلل العيوب، مما يُنتج هياكل نانوية متناسقة وموحدة. من خلال توفير تحسينات للبنية المورفولوجية لطبقات البيروفسكايت ونقل الشحنة، يمكن للأيونات الأرضية النادرة تحسين الأداء العام واستقرار الخلايا الشمسية البيروفسكايت، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات التجارية واسعة النطاق. لا يمكن التقليل من أهمية خلايا البيروفسكايت الشمسية. فهي ستوفر قدرة فائقة على توليد الطاقة بتكلفة أقل بكثير من الخلايا الشمسية السيليكونية الحالية المتوفرة في السوق. وقد أظهرت الدراسة أن تطعيم البيروفسكايت بأيونات العناصر الأرضية النادرة يُحسّن خصائصه، مما يؤدي إلى تحسين كفاءته واستقراره. وهذا يعني أن خلايا البيروفسكايت الشمسية ذات الأداء المُحسّن أصبحت أقرب إلى التطبيق العملي.
وقت النشر: 4 يوليو 2022 