تلميع ليزري غير تلامسي وإعادة البناء نحو خلايا شمسية متتابعة من البيروفسكايت عالية الكفاءة

جعل الألواح الشمسية تعمل بشكل أفضل

تزداد رخص الألواح الشمسية وشيوعها، لكن التصاميم القياسية الحالية تهدر الكثير من طاقة الشمس على شكل حرارة. إحدى الطرق الواعدة لاستخلاص كهرباء أكثر من ضوء الشمس هي تكديس خليتين شمسيتين فوق بعضهما، بحيث تكون كل واحدة مضبوطة لجزء مختلف من طيف الشمس. تُظهر هذه الدراسة كيف أن نوعًا جديدًا من «التلميع غير التلامسي» بضوء الليزر يمكنه إصلاح ضعف رئيسي في مثل هذه الخلايا المتتابعة من البيروفسكايت ودفع كفاءتها قرب 30%، وهو مستوى جذاب للتطبيقات المستقبلية على أسطح المنازل والمحطات والقدرات المحمولة.

لماذا تواجه خلايا البيروفسكايت المتكدسة صعوبات

البيروفسكايت مواد شبيهة بالبلورة تمتص ضوء الشمس بكفاءة عالية ويسهل تصنيعها من المحاليل. للتغلب على حدود كفاءة الخلايا الأحادية، يضع الباحثون بيروفسكايت ذي فجوة نطاق واسعة فوق آخر ذي فجوة ضيقة لتشكيل خلية متتابعة كاملة من البيروفسكايت. يجب على الخلية السفلية ذات الفجوة الضيقة جمع الضوء الأحمر والقريب من تحت الحمراء الذي يمر عبر الخلية العلوية، وأداءها يحدد سقف كفاءة المتتالية إلى حد كبير. للأسف، تتكوّن أفلام الرصاص–القصدير ذات الفجوة الضيقة عادةً بأسطح خشنة وغنية بالعيوب. يميل القصدير للتراكم والأكسدة قرب السطح العلوي، يصبح اليود ناقصًا، والسطح المتعرج يكوّن تلامسًا ضعيفًا مع طبقة استخراج الإلكترون. مجتمعة، تتسبب هذه المشكلات في إعادة الاتحاد الحاملة للشحنة قبل حصادها، ما يهدر الجهد والتيار.

تنعيم بالضوء بدلاً من الورق الرملي

تعتمد الطرق التقليدية لتنظيف أسطح البيروفسكايت على مواد كيميائية سائلة أو تلامس مادي، وكلاهما قد يضر الأفلام الهشة ويصعب التحكم به على مساحات واسعة. في هذا العمل، طوّر المؤلفون طريقة تلميع بالأشعة فوق البنفسجية ذات نبضات بيكوسيكوندية لا تلامس الفيلم أبدًا. تقشّر نبضات الليزر القصيرة جدًا فقط عشرات النانومترات العلوية المعيبة، مملّسةً السطح مع تقليل تسخين البلورة الأساسية إلى أدنى حد. تُظهر المجاهر أن الخشونة المتوسطة تقل بحوالي عامل ثلاثة، وتقود القياسات الكيميائية إلى أن القصدير الزائد والناقص في اليود على السطح أُزيلا إلى حد كبير. يمكن ضبط عمق التلميع بواسطة طاقة الليزر وسرعة المسح، ويبرهن الفريق على دقة دون نانومتر وتكرارية ممتازة عبر دفعات عديدة.

إعادة بناء طبقة سطحية أكثر صحة

يفعل التلميع بالليزر أكثر من مجرد إزالة النتوءات؛ إذ يترك سطح البيروفسكايت مع العديد من «مواقع A» الفارغة في إطار البلورة—أماكن تجلس فيها عادة أيونات عضوية كبيرة أو أيونات السيزيوم. يعالج الباحثون هذا السطح المعروض حديثًا بمذيب يحتوي على بروميد الغوانيدينيوم، حيث يمكن لأيونات الغوانيدينيوم الكبيرة أن تشكل روابط هيدروجينية قوية وتميل إلى إبطاء حركة الأيونات. تملأ هذه الأيونات بشكل انتقائي المواقع الشاغرة قرب السطح، معيدةً بناؤه إلى طبقة بيروفسكايت غوانيدينيوم–سيزيوم أكثر ترتيبًا وأقل إجهادًا من ذي قبل. تُظهر قياسات الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني أن التشوهات في شبكة البلورة تختفي وأن النانومترات العلوية القليلة تتمدد قليلاً، وهو ما يتوافق مع الحجم الأكبر للغوانيدينيوم. تكشف الاختبارات البصرية عن ضيائية فوتولومينسية أكثر سطوعًا وفترات عمر ناقلات أطول، دلالة على عيوب أقل وجودة فيلم أكثر تجانسًا عبر مساحات واسعة.

تحويل الأسطح الأنظف إلى كفاءة أعلى

عند بناء الفريق للأجهزة الكاملة، تتراكم الفوائد. تُظهر الخلايا الأحادية ذات الفجوة الضيقة المصنوعة من الأسطح الملمعة والمعاد بناؤها جهدًا وتيارًا وعامل تعبئة أعلى من الضوابط غير المعالجة، بينما تُظهر أيضًا هستيرية أقل بكثير—مؤشر على أن الأيونات المتحركة والواجهات غير المستقرة قد تم ترويضها. تصل أفضل خلية رصاص–قصدير إلى كفاءة تحويل طاقة قدرها 24.07%، مع اعتماد مستقل عند 23.47%، باستخدام عملية قابلة للتوسع لا تعتمد على كبح بالمذيب المضاد. يؤدي تكديس هذه الخلية السفلية المحسّنة تحت بيروفسكايت علوي واسع الفجوة إلى خلية متتابعة كاملة من البيروفسكايت بكفاءة 29.80% واتفاق قوي بين التيار المقاس والاستجابة الطيفية. تحافظ الأجهزة الأكبر والمياني ـ وحدات الصغيرة المصنعة بنفس النهج على كفاءات عالية، وتحتفظ الخلايا المتغلفة بنحو 80% من أدائها الابتدائي بعد حوالي 650 ساعة من التشغيل المستمر.

ماذا يعني هذا لمستقبل الطاقة الشمسية

باستخدام ليزر غير تلامسي لإزالة المادة المعيبة بدقة ثم إعادة بناء النانومترات العلوية بتكوين بيروفسكايت أكثر متانة، يتناول هذا العمل أحد العقبات الرئيسية في المتتاليات المتقدمة من البيروفسكايت: واجهة خشنة وغير مستقرة تهدر الشحنة. النتيجة أفلام أكثر نعومة، واستخراج شحنة أنقى، وتقليل هجرة الأيونات، وكفاءات قياسية لمتتاليات بيروفسكايت الخالية من المذيب المضاد. وبما أن الطريقة قابلة للتعديل وسريعة ومتوافقة مع فجوات نطاق وتركيبات أجهزة مختلفة، فهي تقدم أداة مفيدة على نطاق واسع لدفع تكنولوجيا البيروفسكايت الشمسية أقرب إلى حدودها النظرية ونحو النشر العملي.

الاستشهاد: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية متتابعة من البيروفسكايت, تلميع سطح بالليزر, هندسة الواجهة, الطاقة الكهروضوئية عالية الكفاءة, تقنية الخلايا الرقيقة