التفاعلات فوق الجزيئية بين السلاسل تقود خلايا شمسية عضوية بكفاءة تقارب 21%

لماذا تهم هذه القفزة الشمسية

يمكن أن تكون الألواح الشمسية المصنوعة من البلاستيك بدلاً من السيليكون الصلب خفيفة ومرنة وحتى شفافة، مما يجعلها مثالية لتغذية الأجهزة، والنوافذ، والأسطح المنحنية. لكن هذه الخلايا الشمسية العضوية واجهت صعوبة في مضاهاة كفاءة أفضل الألواح الحالية لأن جزءًا من الطاقة الممتصة يتسرب صامتًا على شكل حرارة. تُظهر هذه الدراسة كيف أن إعادة تشكيل السلاسل الجانبية الصغيرة على الجزيئات العضوية بعناية يمكن أن تروي هذا الفقد الخفي للطاقة وتدفع الخلايا الشمسية المرنة قرب كفاءة 21 بالمئة، منافسة التقنيات التقليدية.

صنع مواد بلاستيكية شمسية أفضل

تعتمد الخلايا الشمسية العضوية على خليط من الجزيئات القائمة على الكربون التي تمتص الضوء وتفصل الشحنات. ركز المؤلفون على عائلة من جزيئات «المستقبل» التي تتشارك مع بوليمر مانح يُدعى D18. في التصاميم التقليدية، تحمل هذه المستقبلات سلاسل جانبية رخوة تساعدها على الذوبان وسهولة المعالجة لكنها أيضًا تسمح لها بالاهتزاز والتماوج. ترتبط تلك الحركات بالشحنات المتحركة وتشجع على تسرب الطاقة على شكل حرارة. صمم الفريق مستقبلًا جديدًا سُمي S-Cb، تحتوي سلاسلها الجانبية حلقة صغيرة مشدودة مكونة من أربعة كربونات تُدعى السيكلوبوتان. هذه الحلقة صلبة ومسطحة نسبيًا، فتعزز صلابة الجزيء وتغير بشكل طفيف كيفية ترتيب المواد معًا في طبقة رقيقة.

إسكات الطاقة المهدرة داخل الغشاء

لمعرفة ما إذا كان التصميم الأصعب مفيدًا فعلًا، قارن الباحثون انبعاث الضوء وامتصاص S-Cb مع مستقبل متقدم يُدعى L8-BO. أظهرت القياسات في المحلول والأفلام الرقيقة أن S-Cb يفقد طاقة أقل قليلًا عند استرخاء الحالات المثارة، وأن طيف انبعاثه أضيق، وهذان علامتان على أن مسارات اهتزازية أقل متاحة لتفريغ الطاقة. درجة انتقال الزجاج لـ S-Cb أعلى، مما يدل على مادة أكثر صلابة. كما كشفت دراسات الأشعة السينية أن S-Cb يشكل طبقات أكثر انتظامًا، وأظهرت قياسات الكالوريمتري ميلًا أقوى للتبلور. مجتمعة، تشير هذه الاختبارات إلى أن حلقة السيكلوبوتيل تجعل المادة أكثر صلابة وتنظيمًا، مما يضعف الارتباط غير المرغوب بين الإلكترونات والاهتزازات الجزيئية.

ترك الجزيئات لتتشبث ببعضها

ظهر السلوك الأكثر أهمية عندما تم خلط S-Cb مع L8-BO في جهاز ثلاثي المكونات احتوى أيضًا على بوليمر D18. أظهرت المحاكاة الحاسوبية والتحليل البلوري أنه عندما يتواجد S-Cb وL8-BO بكميات متساوية، يمكن لسلاسلهم الجانبية المختلفة أن تقفل معًا في ترتيب «مشبك». تنزلق حلقة السيكلوبوتيل شبه المسطحة في S-Cb داخل السلاسل الجانبية المشقوقة لـ L8-BO، وتثبتها العديد من الاتصالات الضعيفة القائمة على الهيدروجين. هذا التشابك بين الجزيئات يجذبها إلى طور مقبول مشابِه للسبيكة محكم التعبئة وذو انتظام عالٍ. في هذه الحالة، يتقلص الفراغ الحر في الغشاء، وتُقيد الحركة الجزيئية، وتُظهر الحسابات أن إعادة التنظيم الاهتزازي والجذب بين الإلكترونات والفراغات كلاهما يقلان، مما يساعد الشحنات على الانفصال والسفر بدلًا من إعادة الاندماج.

تحويل البنية إلى أداء أعلى

أدت الخلايا الشمسية المصنوعة من S-Cb وحده أداءً جيدًا بالفعل، حيث وصلت إلى كفاءة تحويل طاقة تقارب 19.6 بالمئة، مماثلة للخلايا المعتمدة فقط على L8-BO. عندما خُلط المستقبلان مع D18، اعتمد الأداء بقوة على نسبة المزج. عند خليط نسبة 1:1 من S-Cb وL8-BO، حيث يكون تأثير التشبيك في أقوى حالاته، وصلت الخلايا إلى كفاءة 20.93 بالمئة، مع قيمة معتمدة بلغت 20.74 بالمئة. أظهرت الاختبارات البصرية والكهربائية التفصيلية أنه عند هذه النقطة المثلى تجمع الأجهزة امتصاصًا قويًا للضوء، ونقل شحنات متوازنًا، وإعادة اندماج أبطأ، وفقدان طاقة غير مشع أصغر. أكدت المجاهر النانوية وجود شبكة متشابكة بدقة من مناطق المانح والمستقبل بأحجام نطاقات متوافقة جيدًا، ما يدعم كلًا من انقسام الإثيون والسحب الفعال للشحنات.

ماذا يعني هذا لألواح شمسية مستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن تغييرات صغيرة في السلاسل الجانبية للجزيئات العضوية يمكن أن تحدث تأثيرًا كبيرًا على كيفية تحرك الشحنات في خلية شمسية. من خلال إضافة حلقة صلبة صغيرة، خلق الباحثون جزيئات لا تهتز كثيرًا فحسب، بل تشبك جيرانها أيضًا في شبكة منظمة، مما يقلل الهدر الحراري ويساعد الشحنات على الهروب. رفعت هذه الاستراتيجية المسمّاة «التثبيت الجزيئي» الخلايا الشمسية العضوية المرنة إلى كفاءة تقارب 21 بالمئة، مما يشير إلى مسار تصميم عملي نحو ألواح رقيقة وخفيفة تقترب في الأداء من أفضل أجهزة السيليكون الحالية مع منح مرونة أكبر بكثير في أماكن وكيفية استخدامها.

الاستشهاد: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية العضوية, سلاسل جانبية سيكلوبوتيل, تفاعلات فوق جزيئية, تقليل فقدان الطاقة, خليطات ضوئية ثلاثية المكونات