لقد تطورت خلايا البيروفسكايت الشمسية في السنوات الأخيرة مع زيادات سريعة في كفاءة تحويل الطاقة (من 3% في عام 2006 إلى 25.5% اليوم)، مما يجعلها أكثر قدرة على المنافسة مع الخلايا الكهروضوئية القائمة على السيليكون. ومع ذلك، لا يزال هناك عدد من التحديات قبل أن تصبح تجارة تجارية تنافسية التكنلوجيا.
الآن طور فريق من كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك عملية لحل أحد هذه المشكلات ، وهو عنق الزجاجة في خطوة حاسمة تتضمن تعاطي المنشطات من النوع p لمواد نقل الثقوب العضوية داخل الخلايا الكهروضوئية. البحث ، “CO2 منشطات الطبقات البينية العضوية لخلايا بيروفسكايت الشمسية ، "يظهر في الطبيعة.
حاليًا ، عملية p-doping ، التي يتم تحقيقها عن طريق دخول الأكسجين وانتشاره في طبقة نقل الحفرة ، تستغرق وقتًا طويلاً (عدة ساعات إلى يوم واحد) ، مما يجعل الإنتاج الضخم التجاري للخلايا الشمسية من البيروفسكايت غير عملي.
اكتشف فريق تاندون ، بقيادة أندريه د.تايلور ، الأستاذ المساعد ، وجايمين كونج ، زميل ما بعد الدكتوراه ، جنبًا إلى جنب مع ميغيل موديستينو ، الأستاذ المساعد - وكلهم في قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية - طريقة لزيادة سرعة هذه الخطوة الرئيسية من خلال استخدام ثاني أكسيد الكربون (CO2) بدلاً من الأكسجين.
في الخلايا الشمسية البيروفسكايت ، عادة ما تكون أشباه الموصلات العضوية المخدرة مطلوبة كطبقات بينية لاستخراج الشحنة تقع بين طبقة البيروفسكايت الضوئية والأقطاب الكهربائية. تتضمن الوسائل التقليدية لتنشيط هذه الطبقات البينية إضافة سلفونيميد الليثيوم (ثلاثي فلورو الميثان) (LiTFSI) ، وهو ملح الليثيوم ، إلى سبيرو أوميتاد ، وهو مركب عضوي مترافق. أشباه الموصلات تستخدم على نطاق واسع لمواد نقل الثقوب في خلايا البيروفسكايت الشمسية. ثم تبدأ عملية المنشطات من خلال تعريض أفلام مزيج سبيرو أوميتاد: LiTFSI للهواء والضوء.
لا تستغرق هذه الطريقة وقتًا طويلاً فحسب ، بل إنها تعتمد إلى حد كبير على الظروف المحيطة. على النقيض من ذلك ، أبلغ تايلور وفريقه عن طريقة تعاطي المنشطات السريعة والقابلة للتكرار التي تنطوي على فقاعات سبيرو أوميتاد: حل LiTFSI مع CO2 تحت الأشعة فوق البنفسجية. وجدوا أن عمليتهم عززت بسرعة التوصيل الكهربائي للطبقة البينية بمقدار 100 مرة مقارنةً بفيلم مزيج أصلي ، وهو أيضًا أعلى بحوالي 10 مرات من تلك التي تم الحصول عليها من عملية فقاعات الأكسجين. شركة CO2 نتج عن الفيلم المعالج أيضًا خلايا شمسية بيروفسكايت مستقرة وعالية الكفاءة دون أي معالجات لاحقة.
أوضح كونغ ، المؤلف الرئيسي: "إلى جانب تقصير وقت تصنيع الجهاز ومعالجته ، فإن تطبيق سبيرو-أوميتاد المخدر مسبقًا في خلايا بيروفسكايت الشمسية يجعل الخلايا أكثر استقرارًا". "يرجع ذلك جزئيًا إلى أن معظم أيونات الليثيوم الضارة في spiro-OMeTAD: تم تثبيت محلول LiTFSI على شكل كربونات الليثيوم أثناء ثاني أكسيد الكربون.2 عملية الفقاعات ".
وأضاف أن كربونات الليثيوم تنتهي بالترشيح عندما يقوم الباحثون بتدوير المحلول المخدر مسبقًا على طبقة البيروفسكايت. "وبالتالي ، يمكننا الحصول على مواد عضوية مخدرة نقية إلى حد ما من أجل طبقات نقل ثقوب فعالة."
وجد الفريق ، الذي ضم باحثين من Samsung ، وجامعة Yale ، والمعهد الكوري لبحوث التكنولوجيا الكيميائية ، ومركز الدراسات العليا بجامعة المدينة ، وجامعة Wonkwang ، ومعهد Gwangju للعلوم والتكنولوجيا أيضًا أن CO2 يمكن استخدام طريقة المنشطات في تعاطي المنشطات من النوع p للبوليمرات المترافقة الأخرى ، مثل PTAA و MEH-PPV و P3HT و PBDB-T. وفقًا لتايلور ، يتطلع الباحثون إلى دفع الحدود إلى ما وراء أشباه الموصلات العضوية النموذجية المستخدمة في الخلايا الشمسية.
"نعتقد أن التطبيق الواسع لـ CO2 إن تعاطي المنشطات إلى مختلف الجزيئات العضوية المترافقة يحفز الأبحاث التي تتراوح من الخلايا الشمسية العضوية إلى الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) والترانزستورات ذات التأثير الميداني العضوي (OFETs) ، حتى الأجهزة الكهروحرارية التي تتطلب جميعها تعاطي المنشطات الخاضعة للرقابة من أشباه الموصلات العضوية ، أوضح تايلور ، مضيفًا أنه نظرًا لأن هذه العملية تستهلك كمية كبيرة جدًا من ثاني أكسيد الكربون2 غاز ، يمكن اعتباره أيضًا لثاني أكسيد الكربون2 دراسات الالتقاط والعزل في المستقبل.
في الوقت الذي تتطلع فيه الحكومات والشركات على حد سواء الآن إلى تقليل ثاني أكسيد الكربون2 إن لم يكن لإزالة الكربون ، فإن هذا البحث يوفر وسيلة لتفاعل كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2 في كربونات الليثيوم لتحسين الخلايا الشمسية من الجيل التالي ، مع إزالة غازات الاحتباس الحراري من الغلاف الجوي ، "موضحًا ، مضيفًا أن فكرة هذا النهج الجديد كانت فكرة غير بديهية من أبحاث الفريق حول البطاريات.
"من تاريخنا الطويل في العمل مع بطاريات الليثيوم والأكسجين / الهواء ، نعلم أن تكوين كربونات الليثيوم من تعرض أقطاب الأكسجين للهواء يمثل تحديًا كبيرًا لأنه يستنفد بطارية أيونات الليثيوم ، مما يؤدي إلى تدمير سعة البطارية. ومع ذلك ، في تفاعل سبيرو المنشطات هذا ، فإننا نستغل بالفعل تكوين كربونات الليثيوم ، الذي يربط الليثيوم ويمنعه من أن يصبح أيونات متحركة ضارة بالاستقرار طويل الأمد للـ perovskite الخلايا الشمسية. نأمل أن يكون هذا CO2 يمكن أن تكون تقنية المنشطات نقطة انطلاق للتغلب على التحديات الحالية في الإلكترونيات العضوية وما بعدها ".