تم تحقيق تقدم كبير في التحكم بعملية التبلور في خلايا الشمسية من نوع perovskite عبر تعديل قطبية المذيب أثناء تكوين الفيلم. هذا التطور أضاف بعدًا جديدًا لتحسين الكفاءة والاستقرار طويل المدى للخلايا من خلال إدارة مرحلة وسيطة حيوية في التبلور، مما أدى إلى تحسين جودة الألواح الشمسية وتقليل العيوب البلورية.

جدول المحتويات

التقنية تعتمد على استخدام بوليمرات فلورية ذات قطبية عالية لتنظيم ديناميكية المذيب بدلاً من التفاعل المباشر مع بلورة الـperovskite، مما يبطئ عملية تبخر المذيب ويؤخر النواة البلورية، وهو ما يضمن نمو بلورات متجانسة وأداء كهربائي محسن. هذه الطريقة تفتح مجالًا لتطبيقات صناعية أوسع في تصنيع أنظمة الطاقة الحرارية وsolar cells مضادة للعيوب.

مقدمة 🔧

في مجال الهندسة الميكانيكية وخصوصًا في تطوير أنظمة الطاقة المتجددة، تُعتبر خلايا perovskite solar cells من أكثر تقنيات التوليد الكهربائي الواعدة، نظراً لكفاءتها العالية وتكلفتها المنخفضة. إلا أن تحدي التحكم في جودة البلورات أثناء تشكيل الفيلم النشط يظل من أبرز العقبات نحو الاستقرار طويل الأمد والأداء الأمثل.

لكن الباحثين اكتشفوا أسلوبًا جديدًا يتيح تحكمًا دقيقًا بآلية التبلور، عبر تعديل قطبية المذيب الذي يُستخدم في التصنيع، مما أثر إيجابيًا على ترتيب البلورات وتجانسها وقلل العيوب التي تؤثر على الأداء الكهربي والخدمة.

نقطة ميكانيكية مهمة: تكوين بلورات متجانسة وذات جودة عالية هو الأساس لتحسين أداء أنظمة الطاقة الشمسية في الهندسة الميكانيكية.

التحديات التقليدية في کنترل التبلور 🔥

في عملية الشكل القياسي لتكوين أفلام الـperovskite باستخدام طريقة spin-coating، يتم إزالة المذيب بسرعة مما يؤدي إلى تكوين حبيبات بلورية غير منتظمة وذات كثافة عيوب عالية. هذه العيوب تؤثر سلبًا على القدرة الكهربائية ومدة عمر الخلية.

محاولات سابقة تضمنت تعديل التفاعلات الكيميائية بين المذيب والمواد الأولية عبر تكوين تراكيب كيميائية تسمى Lewis acid-base adducts، لكنها لم تكن ملائمة لأنواع معينة من بلورات الperovskite التي تحتوي على نسب عالية من الفورماميدينيوم (FA) داخل التشكيل المختلط لعوامل التكوين.

كيف أثرت هذه العوامل؟

المراحل الوسيطة كانت إما ضعيفة ومتفتتة أو ثابتة جدًا، مما عرقل التحكم السلس في نمو البلورات.
نتيجة لذلك، كانت جودة الأفلام النشطة ضعيفة، مع شبكات بلورية مشوهة وأعطال متعددة تؤثر على الاعتمادية والفعالية.

خلاصة تقنية: تأمين بيئة مناسبة للمذيب بدلاً من تعديل البلورة نفسها قد يكون الحل الأمثل لإدارة التبلور.

تأثير البوليمرات القطبية في تعديل المذيب ⚙️

توجهت الدراسة الحديثة إلى استخدام بوليمرات فلورية ذات قطبية عالية مثل poly(pentafluorostyrene) (PPFS) مضافة إلى مادة مضادة للمذيب (antisolvent) خلال عملية التدوير (spin-coating)، بدلاً من محاولة تغيير كيمياء البلورة نفسها.

هذه البوليمرات تستغل التفاعلات الثنائية القطب (dipole–dipole) مع المذيب الأساسي DMSO، فتعمل على زيادة قطبية المذيب بداخل الفيلم الرطب وبذلك تُبطئ من سرعة تبخره.

نتج عن ذلك:

زيادة زمن بقاء المذيب داخل الطبقة الرطبة.
تعديل لزوجة المذيب وانتشاره، مما يؤثر إيجابيًا على ديناميكية البلورة.
تجنب الارتباط المباشر مع شبكة الـperovskite، وبالتالي الحفاظ على خواص البلورة الأصلية.

لماذا هذا مهم صناعيًا؟ تأخير تبخر المذيب يضمن نمو بلورات أكثر انتظامًا، مما يرفع جودة الأنظمة الحرارية والكهروضوئية.

المرحلة الوسيطة والديناميكية المتحكم بها 🔥

أظهرت تقنيات in situ X-ray diffraction أن البوليمرات القطبية تمدد عمر المرحلة الوسيطة التي تضم MAI-PbI₂-DMSO، حتى في الأنظمة التي تحتوي على تركيبة مختلطة من الفورماميدينيوم والميثيل أميونيوم.

هذه المرحلة الوسيطة لا تنهار فجأة بفضل البوليمرات، بل تستمر عبر مراحل التدوير والتسخين المبكر (annealing)، وذلك يسمح لنمو بلوري أكثر تدرجًا ومتجانسًا.

كما كشف المجهر الإلكتروني عالي الدقة أن هذه المرحلة الوسيطة تتكون من هياكل شريطية وترابطية لثمانيات يوديد الرصاص المتشابكة، ما يسهل تحولها المنتظم إلى البنية النهائية للـperovskite.

ما الذي تغيّر هنا؟ إطالة عمر المرحلة الوسيطة تضمن تكوين بلورات ذات مساحات حبة أكبر وأقل عيوب.

نتائج النمو البلوري والتأثيرات الكهربائية 🚗

تحليلات الطيف الضوئي أثناء عملية الترسيب بينت تأخيرًا بوضوح في مرحلة التكوين الأولي للحبيبات (nucleation)، مع تباطؤ نموها بفضل البوليمرات.

هذا أدى إلى:

بلورات أكثر انتظامًا وأكبر حجمًا.
أسطح أكثر نعومة واتصال أفضل في الاتجاه العمودي.
تقليل الفواصل المقاومة بين الحبيبات.

القياسات الكهربائية والطيفية أظهرت انخفاضًا في كثافة المواقع العيبية (trap density)، وانخفاض في الاضطراب الطاقي (energetic disorder)، وزيادة في عمر ناقلات الشحنة، وكلها مؤشرات على جودة عالية لأفلام الـperovskite.

في خلايا شمسية معمارية مقلوبة (inverted architectures)، أنتجت الأفلام المُعدلة كفاءة تحويل طاقة تصل إلى 26.4% مع معامل تعبئة 86% ومنخفضة جدًا في الـhysteresis، ما يدل على استقرار الأداء الكهروضوئي.

نقطة ميكانيكية مهمة: تحسين الجودة البلورية يحد من عمليات إعادة التجميع الغير إشعاعية، مما يزيد من كفاءة الأنظمة الميكانيكية الحرارية.

استقرار طويل الأمد وموثوقية 🏭

واحدة من الإنجازات الملفتة كانت في الاعتمادية حيث احتفظت الأجهزة بـ92% من كفاءتها الأصلية بعد 1000 ساعة من التشغيل المستمر بأقصى نقطة قدرة (maximum power point tracking).

الاستقرار الملحوظ يعزى إلى التالي:

انخفاض في كثافة العيوب في الطبقة الفعالة.
زيادة في الخاصية الكارهة للماء (hydrophobicity) على سطح الفيلم بفضل البوليمرات الفلورية.

هذا يفتح آفاقًا لتطوير أنظمة متينة مناسبة للتطبيقات الصناعية الاستخدام اليومي والتي تتطلب أداءً مستدامًا في الظروف البيئية المختلفة.

آفاق مستقبلية وتطبيقات صناعية ⚙️

تقدم هذه الدراسة إطار عمل قابل للتطوير يشمل:

تعديل تركيز البوليمرات بحذر للحصول على أفضل توازن بين النمو البلوري والحفاظ على بنية المذيب.
إمكانية تعميم التقنية على تركيبات مختلفة من بلورات الـperovskite وأنواع مذيبات أخرى.
إمكانية تطبيقها على تقنيات تصنيع واسعة النطاق مثل blade coating وslot-die printing.

يتجاوز أثر هذه التقنية خلايا الطاقة الشمسية فقط، حيث تقدم نموذجًا يُحتذى به في التحكم بالمرحلة الوسيطة في مواد شبه موصلة محلولة الصنع، ذات أهمية كبيرة لتقنيات مستقبلية في أنظمة الأتمتة الميكانيكية، والتصنيع المتقدم.

لماذا هذا مهم صناعيًا؟ التقنية تساهم في تصنيع خلايا أكثر كفاءة وموثوقية، ما يدعم الانتقال إلى طاقة متجددة صديقة للبيئة في الهندسة الميكانيكية.

خاتمة 🔥

باستخدام استراتيجيات مبتكرة تعتمد على تعديل قطبية المذيب عوضًا عن التغيير الكيميائي للبيروفسكايت، تم تحقيق تحكم محكم في التبلور، مما أدى إلى تحسين جوانب حيوية مثل الكفاءة والاستقرار في خلايا الطاقة الشمسية.

في مجال الهندسة الميكانيكية، هذا التطور يعزز التكامل بين علوم المواد وأنظمة الطاقة الحرارية، ويدعم توجهات التصنيع المستدام والموثوق، خاصة فيما يتعلق بالأجهزة التي تعتمد على الطاقة المتجددة.