استخدام العناصر الأرضية النادرة للتغلب على القيود المفروضة على الخلايا الشمسية
استخدام العناصر الأرضية النادرة للتغلب على القيود المفروضة على الخلايا الشمسية
المصدر: مواد AZOخلايا البيروفسكايت الشمسيةتتمتع خلايا البيروفسكايت الشمسية بمزايا مقارنة بتكنولوجيا الخلايا الشمسية الحالية. لديهم القدرة على أن تكون أكثر كفاءة، وخفيفة الوزن، وأقل تكلفة من المتغيرات الأخرى. في خلية البيروفسكايت الشمسية، تقع طبقة البيروفسكايت بين قطب كهربائي شفاف في المقدمة وقطب عاكس في الجزء الخلفي من الخلية.يتم إدخال طبقات نقل القطب الكهربائي وطبقات نقل الثقب بين واجهات الكاثود والأنود، مما يسهل تجميع الشحنة في الأقطاب الكهربائية.هناك أربعة تصنيفات لخلايا البيروفسكايت الشمسية بناءً على البنية المورفولوجية وتسلسل الطبقة لطبقة نقل الشحنة: الهياكل المستوية المنتظمة، والمسطحة المقلوبة، والهياكل المتوسطة المسامية المنتظمة، والهياكل المتوسطة المسامية المقلوبة.ومع ذلك، توجد العديد من العيوب مع هذه التكنولوجيا. يمكن أن يؤدي الضوء والرطوبة والأكسجين إلى تدهورها، وقد يكون امتصاصها غير متطابق، كما أنها تواجه مشكلات في إعادة تركيب الشحنة غير الإشعاعية. يمكن أن تتآكل البيروفسكايت بواسطة الإلكتروليتات السائلة، مما يؤدي إلى مشاكل في الاستقرار.لتحقيق تطبيقاتها العملية، يجب إجراء تحسينات على كفاءة تحويل الطاقة والاستقرار التشغيلي. ومع ذلك، أدت التطورات الحديثة في التكنولوجيا إلى إنتاج خلايا شمسية من البيروفسكايت بكفاءة تبلغ 25.5%، مما يعني أنها ليست بعيدة عن الخلايا الشمسية الكهروضوئية التقليدية المصنوعة من السيليكون.ولتحقيق هذه الغاية، تم استكشاف العناصر الأرضية النادرة لتطبيقها في خلايا البيروفسكايت الشمسية. لديهم الخصائص الفيزيائية الضوئية التي تتغلب على المشاكل. وبالتالي فإن استخدامها في خلايا البيروفسكايت الشمسية سيؤدي إلى تحسين خصائصها، مما يجعلها أكثر قابلية للتطبيق على نطاق واسع لحلول الطاقة النظيفة.كيف تساعد العناصر الأرضية النادرة خلايا البيروفسكايت الشمسيةهناك العديد من الخصائص المفيدة التي تمتلكها العناصر الأرضية النادرة والتي يمكن استخدامها لتحسين وظيفة هذا الجيل الجديد من الخلايا الشمسية. أولاً، يمكن عكس إمكانات الأكسدة والاختزال في أيونات الأرض النادرة، مما يقلل من الأكسدة والاختزال في المادة المستهدفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تنظيم تكوين الأغشية الرقيقة عن طريق إضافة هذه العناصر عن طريق اقترانها بكل من البيروفسكايت وأكاسيد المعادن الناقلة للشحنة.علاوة على ذلك، يمكن تعديل بنية الطور والخصائص الإلكترونية الضوئية عن طريق دمجها بشكل بديل في الشبكة البلورية. يمكن تحقيق تخميل العيوب بنجاح عن طريق دمجها في المادة المستهدفة إما بشكل خلالي عند حدود الحبوب أو على سطح المادة.علاوة على ذلك، يمكن تحويل فوتونات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء مرئي مستجيب للبيروفسكايت، وذلك بسبب وجود العديد من مدارات التحول النشطة في أيونات الأرض النادرة.وتتمثل مزايا ذلك في شقين: فهو يتجنب تعرض البيروفسكايت للتلف بسبب الضوء عالي الكثافة ويوسع نطاق الاستجابة الطيفية للمادة. يؤدي استخدام العناصر الأرضية النادرة إلى تحسين استقرار وكفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل كبير.تعديل مورفولوجيات الأغشية الرقيقةكما ذكرنا سابقًا، يمكن للعناصر الأرضية النادرة تعديل أشكال الأغشية الرقيقة التي تتكون من أكاسيد المعادن. من الموثق جيدًا أن شكل طبقة نقل الشحنة الأساسية يؤثر على شكل طبقة البيروفسكايت واتصالها بطبقة نقل الشحنة.على سبيل المثال، يمنع التطعيم بأيونات الأرض النادرة تراكم الجسيمات النانوية SnO2 التي يمكن أن تسبب عيوبًا هيكلية، ويخفف أيضًا من تكوين بلورات NiOx الكبيرة، مما يخلق طبقة موحدة ومدمجة من البلورات. وبالتالي، يمكن الحصول على طبقات رقيقة من هذه المواد خالية من العيوب باستخدام المنشطات الأرضية النادرة.بالإضافة إلى ذلك، تلعب طبقة السقالة في خلايا البيروفسكايت التي لها بنية مسامية دورًا مهمًا في الاتصالات بين البيروفسكايت وطبقات نقل الشحنة في الخلايا الشمسية. يمكن للجسيمات النانوية الموجودة في هذه الهياكل أن تظهر عيوبًا شكلية والعديد من حدود الحبوب.وهذا يؤدي إلى إعادة تركيب الشحنة غير الإشعاعية الضارة والخطيرة. يعد ملء المسام مشكلة أيضًا. ينظم التطعيم بأيونات الأرض النادرة نمو السقالة ويقلل العيوب، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل نانوية متجانسة وموحدة.من خلال توفير تحسينات على البنية المورفولوجية للبيروفسكايت وطبقات نقل الشحنة، يمكن للأيونات الأرضية النادرة تحسين الأداء العام واستقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات التجارية واسعة النطاق.المستقبللا يمكن التقليل من أهمية الخلايا الشمسية البيروفسكايت. وسوف توفر قدرة فائقة على توليد الطاقة بتكلفة أقل بكثير من الخلايا الشمسية الحالية القائمة على السيليكون والموجودة في السوق. وقد أظهرت الدراسة أن تطعيم البيروفسكايت بأيونات الأرض النادرة يحسن خصائصه، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة والاستقرار. وهذا يعني أن خلايا البيروفسكايت الشمسية ذات الأداء المحسن تقترب خطوة واحدة من أن تصبح حقيقة.
