إيزومرات قابلة للتبديل بالضوء لتعزيز متانة حواف الحبيبات واستقرار خلايا البيروفسكايت تحت دورات الإضاءة

لماذا يمكن للشمس أن تضعف الخلايا الشمسية تدريجيًا

تُعد خلايا البيروفسكايت الشمسية نجومًا صاعدة في عالم الطاقة النظيفة لأنها يمكن تصنيعها بتكلفة منخفضة وتنافس بالفعل كفاءة الألواح السقفية الحالية. لكن هناك مشكلة: في العالم الحقيقي، يجب أن تتحمل هذه الخلايا سنوات من التغيرات في ضوء الشمس ودرجة الحرارة. تطرح هذه الدراسة سؤالًا بسيطًا ذو عواقب كبيرة: كيف تتلف دورات النهار اليومية من ضوء ساطع وظلمة وحرارة وضوء فوق بنفسجي خلايا البيروفسكايت ببطء — وهل يمكننا إدخال نوع من المصد المجهري يسمح لها بالصمود أمام هذا الإجهاد المستمر؟

الطقس اليومي كاختبار إجهاد خفي

خارج المختبر، لا تستلقي الألواح الشمسية تحت إضاءة ثابتة وهادئة. بل ترتفع درجة حرارتها وتبرد، وتتغير شدة الضوء مع مرور السحب وتحول النهار إلى ليل. من خلال تحليل بيانات الطقس العالمية، يظهر الباحثون أن مثل هذا التذبذب هو القاعدة وليس الاستثناء. لمحاكاة ذلك، عرّضوا أجهزة البيروفسكايت لدورات متكررة من الضوء والظلام، أحيانًا مع ضوء فوق بنفسجي قاسٍ. وجدوا أن التدوير السريع يمكن أن يهرم الأجهزة أسرع بكثير من الضوء المستمر، ويقصر شهور التآكل إلى ساعات. تحت دورات غنية بالأشعة فوق البنفسجية، انخفض الأداء بسرعة أكبر، ما يكشف أن هذا النوع من الاختبار هو بديل واقعي ومطالب للتشغيل الخارجي.

شقوق على طول اللحامات الخفية

أفلام البيروفسكايت الرقيقة مكوّنة من بلورات صغيرة كثيرة تلتقي عند حواف الحبيبات — وهي اللحامات غير المرئية في المادة. أظهرت الميكروسكوبيات وقياسات الأشعة السينية أن دورات الإضاءة تتسبب في تطور هذه اللحامات لتكوّن ثقوبًا دقيقة، فجوات مجهرية وطورًا جديدة غير مرغوب فيها لا تمتص الضوء جيدًا. دعمت المحاكاة الحاسوبية هذا الاستنتاج، حيث أشارت إلى أن الإضاءة والتسخين المتكرر يدفعان الذرات إلى التحرك والروابط إلى الانكسار، لا سيما عند الحدود بين الحبيبات. مع مرور الوقت، يتحلل البيروفسكايت جزئيًا إلى مركبات أخرى وحتى رصاص معدني، مما يترك عيوبًا تحبس الشحنة وتقلل من خرج الخلية الشمسية. بعبارة أخرى، لا تبهت المادة فحسب؛ بل يتم تمزيقها ميكانيكيًا وكيميائيًا من الداخل.

بناء ممتص صدمات مجهري

لمواجهة هذا، استعان الفريق بحيلة من التصميم الجزيئي الذكي. أضافوا جزيءًا صغيرًا «قابلًا للتبديل بالضوء» يعتمد على الأزوبنزين، يمكنه الانقسام بين شكلين عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية ثم الاسترخاء في الظلام. يثبت أحد طرفي هذا الجزيء في البيروفسكايت عند حواف الحبيبات، بينما يبقى الجزء الآخر مرنًا. تحت الإضاءة، تنحني الجزيئات؛ وفي الظلام، تستقيم. تتيح لها هذه الحركة القابلة للعكس أن تعمل كأمواس صغيرة تمتد وتسترخي تزامنًا مع المادة، ما يمتص الإجهاد الذي كان سيتسبب في تمزيق الحواف. أظهرت قياسات مفصلة للبنية البلورية وإشارات رامان والمحاكاة على مقياس الذرات أنه مع هذه المضافات، تتغير الشبكة البلورية أقل أثناء الدورات، وتتراكم شدود أقل بكثير وتتكوّن عيوب جديدة أقل.

تدفق شحنة أفضل وكفاءة أعلى

إن استقرار اللحامات يفعل أكثر من منع التشقق؛ فهو يحسّن أيضًا كيفية تحرك الشحنات عبر الجهاز. كشفت اختبارات طيفية وقياسات الجهد العابر أن الأفلام المعدّلة تحتوي على مصائد أقل حيث يمكن للإلكترونات والثقوب أن تتكافأ وتختفي كحرارة مهدرة. تنتقل الشحنات بنقاء أكبر عبر حواف الحبيبات، مما يؤدي إلى فولتجات أعلى وعوامل ملء محسّنة في الخلايا الشمسية الكاملة. بلغت الأجهزة التي تحتوي على الجزيئات القابلة للتبديل بالضوء كفاءة تحويل طاقة تقارب 27٪، من بين أفضل القيم المبلغ عنها لهذه الفئة من خلايا البيروفسكايت، وقد تم توثيق هذه النتائج بشكل مستقل.

ثبات طويل الأمد تحت دورات قاسية

كان الاختبار الحقيقي هو التشغيل طويل الأمد تحت ظروف متطلبة. عند التشغيل بأقصى قدرة تحت ضوء ثابت، حافظت الخلايا المعالجة على أكثر من 90٪ من أداءها الابتدائي بعد 2500 ساعة، بينما انخفضت الخلايا غير المعالجة إلى نحو 60٪. تحت دورات ضوئية أكثر واقعية على نمط يوم–ليل عند 65 °م، وحتى عند تضمين الضوء فوق البنفسجي، حافظت الأجهزة المعدلة على أكثر من 95٪ من خرجها الابتدائي بعد 2000 ساعة. كما تحملت 500 دورة سريعة لدرجات الحرارة بين البرد الشديد (–40 °م) والحرارة العالية (85 °م) بخسائر طفيفة فقط، وهو مستوى من المتانة حاسم للنشر الخارجي.

ما يعنيه هذا للألواح الشمسية المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن جزيئًا مستجيبًا للضوء ومختارًا بعناية يمكن أن يعمل كطبقة تخفيف إجهاد مدمجة داخل خلايا البيروفسكايت الشمسية. عبر السماح للمادة بالانحناء بدلًا من التشقق أثناء دورات الضوء ودرجة الحرارة اليومية، تحافظ المضافة على الخلايا عالية الكفاءة ومستقرة بشكل ملحوظ. إذا تم توسيع هذا النهج، فقد يساعد على تحويل تكنولوجيا البيروفسكايت من فضول مختبري إلى خيار دائم وعملي لتشغيل المنازل والمدن، حتى تحت إيقاع الشمس المتقطع والمستمر.

الاستشهاد: Zhang, Z., Zhu, R., Li, G. et al. Photoswitchable isomers to improve grain boundary resilience and perovskite solar cells stability under light cycling. Nat Energy 11, 623–632 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-026-01993-z

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية من البيروفسكايت, استقرار الخلايا الشمسية, حواف الحبيبات, جزيئات قابلة للتبديل بالضوء, دورات ضوء فوق بنفسجي