perovskite solar cells-خلايا بيروفسكايت الشمسيّة

و هي خلايا مصنوعة من نوع من الكريستال المعروف باسم perovskite ، بيروفسكايت تعني نوعٌ من المعادن الموجودة في القشرة الأرضيّة يحتوي على الكالسيوم والتيتانيوم والأكسجين على الشكل (CaTiO3)، تم اكتشافه لأول مرة في عام 1839.و بعدها اصبح يُطلق اسم (بيروفسكايت) على أيّ مركبٍ له الصيغة الكيميائيّة ABX3 وله نفس الشكل البلوريّ لمعدن بيروفسكايت.

حيث سُميت خلايا بيروفسكايت الشمسيّة بهذا الإسم بسبب استخدام مواد مشابهةٍ في التركيب الكيميائي لهذا المعدن في صنعها.

باستخدام مركب ميثيل أمونيوم الرصاص ثلاثي الخلايا تم انتاج اول خلايا البيروفسكايت. ولكن هناك مئات الآلاف من المركبات التي يمكن أن تشكل هذا التركيب البلوري.

في البدايات بلغت كفاءة هذة الخلايا 4% فقط، ولكن بسرعة ارتفعت بشكلٍ كبيرٍ إلى ما يقارب 23 %، وهي نسبة كفاءةٍ تنافس خلايا السليكون التقليدية. حيث حقق العلماء تطور كبير في كفائتها لتصل إلى 28%وهي نسبة اعلى من الكفاءة الحالية للسيليكون و التي تصل إلى 26.7%

 من أهم مميزات هذه الخلايا :

● قلة التكلفة للمواد الداخلة في تركيبها وتوفرها تجاريًّا بالإضافة لسهولة تصنيعها بالطرق الكيميائيّة البسيطة ضمن مختبرٍ تقليديّ، وذلك بسبب قلة حساسية هذه الخلايا لوجود الشوائب على عكس خلايا السليكون الشمسيّة المكلفة والتي يحتاج تصنيعها لتكنولوجيا متقدمةٍ وشروطٍ قاسيةٍ كاستعمال درجات حرارةٍ مرتفعةٍ جدًا في وسط مفرّغ من الهواء.
يمكن أيضًا بسهولةٍ طباعة خلايا بيروفسكايت على سطحٍ زجاجيّ مساحته عدة سنتيمترات.

● مرنةٍ ورقيقةٍ، شبه شفافة ، ويمكن استخدامها لنوافذ الأبنية بدلاً من الزجاج العادي.

● لهذه الخلايا أداءً ممتازًا حيث إنها حساسةٌ جدًا لامتصاص الضوء وتُظهر كفاءةً عاليةً تصل إلى 33%(نظريا ًً) ،مقارنة بكفاءة الخلايا السيليكون التي تصل إلى 26%

من أهم المشاكل التقنيّة التي تواجه هذه الخلايا :

● قلّة ثباتها عند الاستعمال في الأماكن المكشوفة حيث تعمل لعدة أشهرٍ فقط في حين أن الخلايا الشمسيّة المصنوعة من السيليكون تملك ضمان تشغيلٍ قد يصل حتى الخمسة والعشرين عامًا.
أكبر عاملٍ مؤثّرٍ في ثبات الخلايا هو الرطوبة المرتفعة التي تؤدي إلى تميّه مادة بيروفسكايت بطريقةٍ تؤدي إلى التخفيف بشكلٍ كبيرٍ من ثباتها ومن كفاءة امتصاصها للضوء.
تم التغلب على هذه السلبية من خلال تطوير الألواح الشمسية الترادفية ، والتي تجمع بين طبقة رقيقة من مادة البيروفسكايت مع طبقة من السيليكون. حيث ان هذه الالواح الشمسية تبدو إلى حد كبير مثل الألواح الشمسية السيليكون التقليدية. والفرق الرئيسي هو أنها تنتج المزيد من الطاقة.

عندما تسقط أشعة الشمس ، تصطدم الفوتونات بطبقة البيروفسكايت ، والتي تمتص فوتونات بأطوال موجية أقصر مقارنة بالسيليكون . وتمر الفوتونات التي لا تمتص بعد ذلك (ذات الطول الموجي الأطول ) لتمتصها طبقة السليكون و بذلك يتم الإستفادة من أكبر قدر ممكن من الضوء.

● احتواؤها على الرصاص ، حيث إن وجود هذه المادة مع سهولة تحلل خلايا بيروفسكايت قد يتسبب في تسرّب الرصاص إلى البيئة والذي يؤدي إلى مخاطر صحيّة على البيئة والكائنات الحية المحيطة.

وتم التغلب على هذه السلبية بتطوير مادةٍ جديدةٍ تعتمد على التيتانيوم لصنع خلايا شمسيةٍ بيروفسكيتية غير عضويةٍ خاليةٍ من الرصاص. حيث أن التيتانيوم مقاوم للصدأ ،كما أن للتيتانيوم-بيروفسكايت أيضًا جهد دائرةٍ مفتوحةٍ يزيد على فولت واحد (وهو مقياس للجهد الكلي المتاح من خلية شمسية).

قام الباحثون بتصنيع طبقاتٍ رقيقةٍ شبه شفافةٍ من البيروفسكايت ذات فجوة نطاق من 1.8 إلكترون فولت (وهي مقياس لمستوى طاقة الفوتونات التي يمكن أن تمتصها المادة)
حيث أن فجوة نطاق المادة الكبيرة نسبيًا مقارنةً بالسيليكون يجعلها مرشحةً رئيسيةً لتكون بمثابة الطبقة العليا في خليةٍ شمسيةٍ ترادفيةٍ. يمكن للطبقة العليا من التيتانيوم-بيروفسكايت أن تمتص الفوتونات ذات الطاقة الأعلى من الشمس التي لا تستطيع طبقة السليكون السفلية امتصاصها بسبب فجوة نطاقها الأصغر. وفي الوقت نفسه، فإن فوتونات الطاقة المنخفضة تمر عبر الطبقة العلوية شبه الشفافة ليمتصّها السيليكون، مما يزيد من قدرة الامتصاص الكلية للخلية.