ابتكار خلايا شمسية ترادفية ثلاثية الوصلات جديدة ذات كفاءة قياسية عالمية

قام علماء من جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) بتطوير خلية شمسية ترادفية ثلاثية الوصلات من البيروفسكايت/Si يمكنها تحقيق كفاءة تحويل طاقة قياسية عالمية معتمدة بنسبة 27.1% عبر منطقة امتصاص الطاقة الشمسية تبلغ 1 سم مربع.

وهو ما يمثل أفضل أداء للخلية الشمسية البيروفسكايت/Si الترادفية ثلاثية الوصلات حتى الآن.

ولتحقيق ذلك، قام الفريق بتصميم خلية شمسية جديدة من البيروفسكايت متكاملة السيانات، تتميز بالثبات والكفاءة في استخدام الطاقة.

يمكن تصنيع الخلايا الشمسية في أكثر من طبقتين وتجميعها لتكوين خلايا شمسية متعددة الوصلات لزيادة الكفاءة، وتتكون كل طبقة من مواد كهروضوئية مختلفة وتمتص الطاقة الشمسية ضمن نطاق مختلف، ومع ذلك، فإن تقنيات الخلايا الشمسية متعددة الوصلات الحالية تطرح العديد من المشكلات، مثل فقدان الطاقة الذي يؤدي إلى انخفاض الجهد وعدم استقرار الجهاز أثناء التشغيل.

للتغلب على هذه التحديات، قاد البروفيسور المساعد هوي يي، فريقًا من العلماء من كلية التصميم والهندسة (CDE) ومعهد أبحاث الطاقة الشمسية في سنغافورة (SERIS) لإثبات، لأول مرة، التكامل الناجح للسيانيت في البيروفسكايت، خلية شمسية لتطوير خلية شمسية ترادفية ثلاثية الوصلات من البيروفسكايت/Si تتفوق في أداء الخلايا الشمسية المماثلة الأخرى متعددة الوصلات.

تم نشر العملية التجريبية التي أدت إلى هذا الاكتشاففي مجلة الطبيعة .

الأستاذ المساعد هوي، هو أستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية التابع لـ CDE، بالإضافة إلى كونه قائد مجموعة في SERIS، وهو معهد أبحاث على المستوى الجامعي في جامعة سنغافورة الوطنية.

وقال هوي: “من اللافت للنظر أنه بعد 15 عامًا من الأبحاث المستمرة في مجال الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت، يشكل هذا العمل أول دليل تجريبي لإدراج السيانات في البيروفسكايت لتعزيز استقرار هيكلها وتحسين كفاءة تحويل الطاقة”.

تصنيع تكنولوجيا الخلايا الشمسية الموفرةللطاقة

تحدد التفاعلات بين مكونات بنية البيروفسكايت نطاق الطاقة الذي يمكن أن يصل إليه، يمكن أن يساعد ضبط نسبة هذه المكونات أو العثور على بديل مباشر في تعديل نطاق طاقة البيروفسكايت، ومع ذلك، لم تنتج الأبحاث السابقة بعد وصفة للبيروفسكايت ذات نطاق طاقة واسع للغاية وكفاءة عالية.

في هذا العمل، أجرى فريق جامعة سنغافورة الوطنية تجارب على السيانات، وهو هاليد كاذب جديد، كبديل للبروميد – وهو أيون من مجموعة الهاليد التي تستخدم عادة في البيروفسكايت.

استخدم الدكتور ليو شونشانج، زميل الأبحاث في فريق المساعد هوي، طرقًا تحليلية مختلفة لتأكيد التكامل الناجح للسيانات في بنية البيروفسكايت، وقام بتصنيع خلية شمسية بيروفسكايت متكاملة مع السيانات.

قدم المزيد من التحليل للبنية الذرية للبيروفسكايت الجديد – لأول مرة – أدلة تجريبية على أن دمج السيانات ساعد في تثبيت بنيته وتشكيل تفاعلات رئيسية داخل البيروفسكايت، مما يوضح كيف أنه بديل عملي للهاليدات في الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت.

عند تقييم الأداء، وجد علماء جامعة سنغافورة الوطنية أن خلايا البيروفسكايت الشمسية المدمجة مع السيانات يمكنها تحقيق جهد أعلى يبلغ 1.422 فولت مقارنة بـ 1.357 فولت لخلايا البيروفسكايت الشمسية التقليدية، مع انخفاض كبير في فقدان الطاقة.

الأداء المثير للإعجاب لخلايا البيروفسكايت

اختبر الباحثون أيضًا خلية البيروفسكايت الشمسية المُصممة حديثًا من خلال تشغيلها بشكل مستمر بأقصى طاقة لمدة 300 ساعة في ظل ظروف خاضعة للرقابة.

بعد فترة الاختبار، ظلت الخلية الشمسية مستقرةوتعمل بأكثر من 96% من طاقتها.

بتشجيع من الأداء المثير للإعجاب لخلايا البيروفسكايت الشمسية المدمجة مع السيانات، انتقل فريق NUS باكتشافهم إلى الخطوة التالية من خلال استخدامه لتجميع خلية شمسية ثلاثية الوصلات من البيروفسكايت/Si قام الباحثون بتكديس خلية شمسية من البيروفسكايت وخلية شمسية من السيليكون لإنشاء نصف خلية مزدوجة الوصلات، مما يوفر قاعدة مثالية لربط خلية البيروفسكايت الشمسية المدمجة بالسيات .

كفاءة قياسية عالمية معتمدة

بمجرد تجميعها، أثبت الباحثون أنه على الرغم من تعقيد بنية الخلية الشمسية الترادفية ثلاثية الوصلات من البيروفسكايت/Si، إلا أنها ظلت مستقرة وحققت كفاءة قياسية عالمية معتمدة بنسبة 27.1% من مختبر معايرة الخلايا الكهروضوئية المستقل المعتمد.

وقال الأستاذ المساعد هوي: “بشكل جماعي، تقدم هذه التطورات رؤى رائدة في التخفيف من فقدان الطاقة في خلايا البيروفسكايت الشمسية وتحدد مسارًا جديدًا لمزيد من التطوير لتكنولوجيا الطاقة الشمسية ثلاثية الوصلات القائمة على البيروفسكايت”.

إمكانات كبيرة لمزيد من التحسينات

تتجاوز الكفاءة النظرية للخلايا الشمسية الترادفية البيروفسكايت/Si ثلاثية الوصلات 50%، مما يوفر إمكانات كبيرة لمزيد من التحسينات، خاصة في التطبيقات التي تكون فيها مساحة التثبيت محدودة.

ومن الآن فصاعدا، يهدف فريق NUS إلى رفع مستوى هذه التكنولوجيا إلى وحدات أكبر دون المساس بالكفاءة والاستقرار، سوف تركز الأبحاث المستقبلية على الابتكارات في الواجهات البينية وتكوين البيروفسكايت، وهي المجالات الرئيسية التي حددها الفريق لمواصلة تطوير هذه التكنولوجيا.