خلية شمسية عضوية كاملة المكونات الصغيرة معالجة بالأليلغليورويدان تحقق اختراقًا بكفاءة 18.43%

خلايا شمسية أذكى للاستخدام اليومي

تظهر الألواح الشمسية على الأسطح والحقائب وحتى النوافذ—لكن العديد منها لا يزال ثقيلًا، جامدًا ومكلفًا في التصنيع. تستكشف هذه الدراسة نوعًا مختلفًا من تكنولوجيا الطاقة الشمسية المبني على جزيئات عضوية صغيرة يمكن طباعتها مثل حبر الصحيفة على صفائح رقيقة ومرنة. من خلال تعديل دقيق لكيفية ترتيب هذه الجزيئات أثناء جفافها، يدفع الباحثون نوعًا واعدًا من الخلايا الشمسية العضوية إلى كفاءة قياسية، مقرّبين بذلك الطاقة الشمسية فائقة الخفة والقابلة للانحناء من واقع عملي أكثر.

لماذا يصعب إتقان الألواح الشمسية المرنة

على عكس ألواح السيليكُون الموجودة على معظم الأسطح، تستخدم الخلايا الشمسية العضوية جزيئات قائمة على الكربون مذابة في سائل ومفرّشة في طبقة رقيقة. توفر نسخ الجزيئات الصغيرة مزايا كبيرة للتصنيع واسع النطاق: بنيتها محددة جيدًا، ويمكن تنقيتها بسهولة، وتتسم بسلوك متسق من دفعة إلى أخرى. لكن هناك مشكلة. تميل هذه الجزيئات الصغيرة إلى التبلور بشدة والانفصال إلى "جزر" كبيرة داخل الطبقة. وبما أن الشحنات الكهربائية الناتجة عن ضوء الشمس يمكنها التحرك لمسافة قصيرة فقط قبل أن تتلاشى، فإن الجزر الكبيرة جدًا تعني أن العديد من الشحنات لا تصل إلى الأقطاب، مما يقيّد التيار والكفاءة الإجمالية.

جزيء مساعد صغير يتدخل

يعالج الفريق هذه المشكلة بإضافة كمية ضئيلة من مركب مساعد يُدعى 3-أليلغليورويدان إلى خليط من جزيء مانح (MPhS-C2) وجزيء مستقبل (N3). هذا المساعد هو "مادة صلبة متطايرة مضافة": ينضم مؤقتًا إلى الخليط أثناء الطلاء ثم يتبخر تمامًا أثناء خطوة تسخين قصيرة، دون ترك أي بقايا في الجهاز النهائي. على الرغم من أن هيكله يشبه جزءًا من المانح، تُظهر الحسابات الحاسوبية التفصيلية وتجارب الرنين المغناطيسي النووي أنه يفضل في الواقع التفاعل بقوة أكبر مع المستقبل. تتيح هذه الجاذبيات الانتقائية للمساعد توجيه كيفية ترتيب المكونين أثناء جفاف الطبقة الرطبة.

توجيه الطبقة أثناء جفافها

باستخدام قياسات بصرية مُجْهَّزَة بالزمن، وانتثار الأشعة السينية، ومجهر القوة الذرية، والمجهر الإلكتروني، يراقب الباحثون تكوّن الطبقة في الوقت الحقيقي. عادةً يبدأ المانح في التبلور أولًا ويدفع المستقبل إلى تكوين مناطق كبيرة وخشنة. عندما يتواجد المضاف، يغيّر توقيت العمليات بشكل دقيق: يختصر النافذة التي يمكن للمانح أن ينمو فيها بشكل مفرط، يؤخر ويركّز تبلور المستقبل، ويحسّن كيفية انتشار المادتين عبر طبقة التماس الأساسية. النتيجة النهائية هي طبقة أنعم ذات نطاقات أصغر وأكثر توزيعًا تجانسًا وبنية رأسية أكثر انتظامًا من الأعلى إلى الأسفل—شبكة متداخلة بدقة بدلًا من كتل وفراغات.

شحنات أطول عمرًا وطاقة أعلى

للبنية الداخلية المنقّحة هذه مزايا كهربائية واضحة. تكشف قياسات كيفية امتصاص الضوء عبر عمق الطبقة أن الإثكسيونات—أزواج مشحونة مرتبطة تُنشأ بالضوء—تُولد بشكل أكثر انتظامًا وأقرب إلى الأقطاب، لذا تقطع مسافات أقصر قبل أن تنفصل. تُظهر اختبارات تدفق الشحنة حركات أعلى ومتوازنة أكثر للإلكترونات والثقوب، كما تقل الفخاخ التي تعلق فيها الشحنات ويقل إعادة الاتحاد الذي يضمّدها. تؤكد مطيافية الليزر فائق السرعة أن الشحنات تنفصل بسرعة أكبر وتعيش لفترة أطول قبل إعادة الاتحاد. معًا، ترفع هذه التأثيرات التيار، وخاصة معامل الملء، مما يؤدي إلى كفاءة تحويل طاقة بلغت 18.43 بالمئة—وقد تم اعتمادها بشكل مستقل عند 18.16 بالمئة—وهي الأعلى حتى الآن لفئة خلايا شمسية عضوية ثنائية المكونات ذات الجزيئات الصغيرة.

ماذا يعني هذا لأفلام الطاقة الشمسية المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الرئيسية هي أن مضافة مؤقتة مختارة بعناية يمكن أن تعمل كـ"مشرف بناء" لطبقة النشاط في الخلية الشمسية المرنة. لا يبقى 3-أليلغليورويدان في الجهاز، لكن بينما يكون حاضرًا يوجّه كيفية ترتيب كتل البناء، منتجًا نسيجًا داخليًا أدق يساعد الشحنات الناتجة عن الضوء على الهروب وجمعها ككهرباء. كما تقلب الدراسة الافتراض البسيط القائل بأن المضافة تعمل أساسًا مع المادة التي تشبهها أكثر؛ بدلًا من ذلك، تعتمد فعاليتها على توازن دقيق للجاذبيات تجاه كل المكونات. ينبغي أن تساعد هذه الرؤية التصميمية الباحثين على صياغة مضافات أفضل ودفع الألواح الشمسية العضوية المطبوعة والخفيفة نحو الكفاءات اللازمة لتوليد الطاقة في الاستخدام اليومي.

الاستشهاد: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية العضوية, الطاقة الضوئية ذات الجزيئات الصغيرة, السيطرة على البنية المورفولوجية, المضافات الصلبة, ألواح شمسية مرنة