اكتشف الباحثون أخيرًا حاجزًا مخفيًا يحد من 20٪ من الخلايا الشمسية العضوية
كشف فريق دولي من الباحثين عن الآلية الخفية التي تحد من أداء الخلايا الشمسية العضوية ويمكن أن تساعدها على تجاوز حاجز الكفاءة بنسبة 20 بالمائة. تسلط الدراسة، التي أجراها علماء من جامعة لينكوبنج في السويد، وجامعة بوتسدام في ألمانيا، ومعهد بول درود في برلين، الضوء على التحدي الطويل الأمد في تطوير الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV). توفر الخلايا الشمسية الكهروضوئية العضوية بديلاً وفيرة ومنخفضة الطاقة للخلايا الكهروضوئية التقليدية. كما أن لديها القدرة على توليد الكهرباء بتكلفة أقل من تقنيات الطاقة الشمسية من الجيلين الأول والثاني. ووفقا للفريق، يمكن أن توفر النتائج خارطة طريق لإنشاء خلايا شمسية أكثر كفاءة تكون قادرة على التنافس مع التقنيات القائمة على السيليكون القائمة بالفعل. سر الطاقة الشمسية يتم تحديد أداء الخلايا الشمسية من خلال ثلاثة عوامل. وتشمل هذه تيارات الدائرة القصيرة، وجهد الدائرة المفتوحة، وعامل التعبئة. في حين أن هذه العوامل الثلاثة تؤثر على كمية الكهرباء التي يمكن أن يولدها الجهاز، فإن تحسين أحدهما غالبًا ما يأتي على حساب الآخر. ومن ثم، فقد ناضل الباحثون مع المقايضة المستمرة في الخلايا الشمسية العضوية لسنوات. أدت محاولات زيادة جهد الدائرة المفتوحة في كثير من الأحيان إلى انخفاض عوامل التعبئة. وفي الوقت نفسه، أدت التحسينات في عامل التعبئة في كثير من الأحيان إلى تقليل الجهد. ومع ارتفاع كفاءة الخلايا الشمسية العضوية إلى أكثر من 20%، يصبح التغلب على هذه المقايضة أكثر صعوبة. ولمواجهة هذا التحدي، تعاون ديتر نيهر، دكتوراه، من جامعة بوتسدام، وفينج جاو، دكتوراه، من جامعة لينكوبينج، وكذلك صفا شواي، دكتوراه، من معهد بول درود لإلكترونيات الحالة الصلبة، للتحقيق في السبب الجذري للمشكلة. ومن خلال العمل مع خبراء آخرين في هذا المجال، قام الفريق بفحص سبب بدء تباطؤ مكاسب الكفاءة في الخلايا الشمسية العضوية عند مستويات الأداء الأعلى. وأظهرت النتائج أنه في ظل ظروف محددة فإن توليد الشحنات الكهربائية الحرة في الطبقة النشطة للخلية الشمسية يعتمد بشكل كبير على المجال الكهربائي في المادة العضوية شبه الموصلة. وأشار نيهر، أستاذ الفيزياء في جامعة بوتسدام، إلى أن “هذا يؤدي إلى وجود قيود غير مفهومة سابقًا على عامل الملء، والتي تصبح ذات أهمية خاصة عندما تكون هناك حاجة إلى تقليل فقد الجهد إلى الحد الأدنى”. داخل عنق الزجاجة عندما يضرب ضوء الشمس خلية شمسية عضوية، فإنه يخلق الإكسيتونات، وهي عبارة عن أزواج مرتبطة من الإلكترونات سالبة الشحنة والثقوب المشحونة إيجابيا. ونظرًا لأن هذه الأزواج لا يمكنها التحرك بحرية، فيجب أولاً تقسيمها إلى شحنات حرة يمكنها توليد الكهرباء. باستخدام محاكاة خلية شمسية كاملة، وجد الفريق أن هناك عاملين يلعبان دورًا حاسمًا في هذه العملية: مدة بقاء الإكسيتونات على قيد الحياة، ومقدار الطاقة المنطلقة أثناء نقل الشحنة. تم تحديد كلا المعلمتين على أنهما أهم المحددات لعامل الملء عند فقد الجهد المنخفض. “لقد تمكنا من تتبع المفاضلة بين عامل الملء وجهد الدائرة المفتوحة مرة أخرى إلى عدد قليل من الكميات الفيزيائية ومحاكاة كيف يمكن تخفيف هذا القيد بشكل كبير عن طريق زيادة عمر الإكسيتون”، واختتم نيهر في بيان صحفي. أثبت الفريق أن تمديد عمر الإكسيتون يمكن أن يقلل المشكلة بشكل كبير. وللتحقق من صحة هذا المفهوم، قاموا أيضًا بتطوير مجموعات جديدة من المواد العضوية واستخدموها لإنتاج الخلايا الشمسية. قدمت الأجهزة عوامل تعبئة عالية وإخراج طاقة إجمالي قوي. ووفقا للباحثين، توفر النتائج مبادئ التصميم العامة التي يمكن أن توجه تطوير المواد الكهروضوئية العضوية المستقبلية وهندسة الأجهزة. وقد نشرت الدراسة في مجلة Nature Photonics.
تم النشر: 2026-06-24 19:37:00
