محطة قياس التلألؤ الضوئي بتقنية HDR: كان الدكتور جينغوا يان مسؤولاً عن جزء كبير من القياسات. المصدر: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
حدد الباحثون في Forschungszentrum Jülich شكلاً خاصًا من الحماية ضد إعادة التركيب لحاملات الشحنة المجانية في خلايا البيروفسكايت الشمسية، والتي تم اكتشافها عن طريق قياسات التألق الضوئي المبتكرة.
لطالما فاجأت خلايا البيروفسكايت الشمسية، المعروفة بكفاءتها العالية وتكلفة إنتاجها المنخفضة نسبيًا، الباحثين. ومؤخرًا، كشف العلماء في Forschungszentrum Jülich عن جانب جديد من هذه الخلايا باستخدام طريقة مبتكرة لقياس اللمعان الضوئي. واكتشفوا أن فقدان حاملات الشحنة في هذا النوع من الخلايا يتبع قوانين فيزيائية مختلفة عن تلك المعروفة في معظم semiconductors
أشباه الموصلات . وهذا السلوك الفريد يمكن أن يفسر كفاءة الخلايا المثيرة للإعجاب. ونشرت هذه النتائج في مجلة مواد الطبيعة.
تعتبر خلايا البيروفسكايت الشمسية واعدة للغاية في مجال الخلايا الكهروضوئية، حتى لو كان استقرارها يترك الكثير مما هو مرغوب فيه. الخلايا من هذا النوع غير مكلفة للطباعة وفعالة للغاية. وفي العقد الماضي، تضاعفت كفاءتها إلى أكثر من 25%، وبالتالي فهي حاليًا على قدم المساواة مع الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون. ويبدو أيضًا أنه من الممكن إجراء المزيد من التحسينات في المستقبل.
يشرح توماس كيرتشارتز: "أحد العوامل المهمة هنا هو مسألة المدة التي تبقى فيها حاملات الشحنة المثارة في المادة، أو بعبارة أخرى، مدة حياتها". "إن فهم العمليات أمر بالغ الأهمية لمواصلة تحسين كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت." المهندس الكهربائي هو رئيس مجموعة عمل حول الخلايا الشمسية العضوية والهجينة في معهد أبحاث الطاقة والمناخ التابع لـ Forschungszentrum Jülich (IEK-5).
إنه العمر الذي يهم
في الخلية الشمسية، يتم إزاحة الإلكترونات بواسطة الفوتونات ورفعها إلى مستوى طاقة أعلى من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. عندها فقط يمكنهم التحرك بحرية أكبر والتدفق عبر دائرة خارجية. ولا يمكنها المساهمة في توليد الطاقة الكهربائية إلا إذا كان عمرها طويلًا بما يكفي لتمريرها عبر المادة الممتصة إلى نقطة الاتصال الكهربائية. ويترك الإلكترون المثار أيضًا فجوة في نطاق التكافؤ الأساسي - وهو فراغ متنقل يمكن نقله عبر المادة مثل حامل شحنة موجبة.إن العيوب الموجودة في الشبكة البلورية هي التي تضمن سقوط الإلكترونات المثارة بسرعة إلى مستويات طاقة أقل مرة أخرى. عندها لن تكون الإلكترونات المتأثرة قادرة على المساهمة في تدفق التيار. يقول كيرتشارتز: "تُعرف هذه الآلية أيضًا باسم إعادة التركيب، وهي عملية الفقد الرئيسية لكل خلية شمسية".
يستخدم البروفيسور توماس كيرتشارتز أساليب تحليلية مبتكرة للبحث عن خلايا شمسية جديدة قابلة للطباعة، على سبيل المثال من البيروفسكايت الهاليد أو أشباه الموصلات الجزيئية. المصدر: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
إعادة التركيب حاسمة لتحقيق الكفاءة
لا توجد خلية شمسية مثالية على المستوى الذري؛ كل واحد لديه أنواع مختلفة من العيوب بسبب عملية التصنيع. هذه العيوب أو الذرات الغريبة في بنية الشبكة هي نقاط التجميع حيث تميل الإلكترونات والثقوب إلى الالتقاء معًا. ثم تعود الإلكترونات إلى نطاق التكافؤ وتصبح عديمة القيمة فيما يتعلق بتوليد الكهرباء."لقد كان من المفترض سابقًا أن إعادة التركيب تنجم في الغالب عن عيوب تقع بقوة في المنتصف بين نطاقي التكافؤ والتوصيل. ويرجع ذلك إلى أن هذه العيوب العميقة يمكن الوصول إليها بالمثل من قبل الإلكترونات المثارة ونظيراتها من الثقوب. في الواقع، من المحتمل أن يكون هذا صحيحًا بالنسبة لمعظم أنواع الخلايا الشمسية.
تهيمن العيوب الضحلة
ومع ذلك، فقد دحض كيرتشارتز وفريقه هذا الافتراض بالنسبة لخلايا البيروفسكايت الشمسية، وأظهروا أن العيوب الضحلة هي في النهاية حاسمة من حيث كفاءتها النهائية. على عكس العيوب العميقة، فهي لا تقع في منتصف فجوة النطاق، ولكنها قريبة جدًا من نطاق التكافؤ أو التوصيل.ويضيف كيرتشارتز: "لم يتم بعد توضيح سبب هذا السلوك غير المعتاد بشكل كامل". "من المعقول أن نفترض أن العيوب العميقة لا يمكن أن توجد في هذه المواد. قد يكون هذا التقييد أيضًا أحد أسباب الكفاءة العالية للخلايا بشكل خاص.
تقنية قياس HDR جديدة مع نطاق ديناميكي ممتد
لم تكن هذه الملاحظة ممكنة إلا من خلال قياسات التألق الضوئي العابرة المبتكرة. وفي القياسات السابقة، لم يكن من الممكن التمييز بين عمليات الخسارة الناجمة عن العيوب السطحية وتلك الناجمة عن عوامل أخرى.توفر طريقة القياس الجديدة التي طورها توماس كيرتشارتز وفريقه في Forschungszentrum Jülich بيانات بنطاق ديناميكي متزايد بشكل كبير مقارنة بالتكنولوجيا التقليدية، أي بيانات عبر نطاق قياس أكبر وبتدريج أفضل. تعتمد العملية على مبدأ مشابه لصور HDR بجودة نطاق ديناميكي عالية. يتم زيادة النطاق الديناميكي للكاميرا عن طريق تركيب صور أو قياسات مختلفة - في هذه الحالة، إشارات بمستويات مختلفة من التضخيم - لإنشاء مجموعة بيانات.
