تحسين أداء خلايا بيروفسكايت الشمسية بواسطة جسيمات نانوية بلازمونية من نيتريد التيتانيوم

لماذا تهم الخلايا الشمسية الأفضل في الحياة اليومية

تتراجع تكلفة الألواح الشمسية وتنتشر أكثر على الأسطح وفي الحقول وحتى على الحقائب. لكن الألواح الحالية لا تزال تهدر الكثير من طاقة الشمس، لا سيما الضوء الأحمر والقريب من تحت الحمراء الذي لا تراه أعيننا. تستكشف هذه الدراسة طريقة ذكية لاستخراج كهرباء أكثر من ذلك الضوء المهدَر باستخدام فئة جديدة من مواد الخلايا الشمسية عالية الأداء تُسمى البيروفسكايت، معززة بجسيمات معدنية صغيرة مصنوعة من نيتريد التيتانيوم.

تحويل مزيد من ضوء الشمس إلى طاقة مفيدة

صعدت خلايا بيروفسكايت إلى الأهمية لأنها قادرة على التقاط ضوء الشمس بكفاءة عالية بينما تكون بسيطة نسبيًا ورخيصة الصنع. مادة بيروفسكايت شائعة معروفة بالصيغة CH3NH3PbI3 تمتص الضوء المرئي جيدًا بالفعل. ضعفها يظهر في نطاق القريب من تحت الحمراء، أي بعد حوالي 750 نانومتر في الطول الموجي، حيث تقل قدرتها على امتصاص الضوء بشدة. هذا يعني أن جزءًا كبيرًا من طاقة الشمس يمر عبر الخلية بدل أن يتحول إلى كهرباء. تساءل الباحثون عمّا إذا كانت الجسيمات النانوية المصممة بعناية يمكن أن تعمل كهوائيات صغيرة للضوء، تعيد توجيه وتركيز هذه الطاقة المفقودة إلى طبقة البيروفسكايت.

هوائيات دقيقة مصنوعة من معدن قوي

ركز الفريق على جسيمات نانوية من نيتريد التيتانيوم، مركب قوي ومقاوم للحرارة يتصرف كمعدن بالنسبة للضوء. على عكس الذهب والفضة—الخيارات المعتادة في الأجهزة «البلازمونية» المتحكمة بالضوء—التيتانيوم شائع في قشرة الأرض وأرخص بكثير. شكَّل الباحثون هذه الجسيمات النانوية على شكل قطع ناقصة بيضاوية مطاولة ورتبوها في نمط سداسي داخل طبقة البيروفسكايت في هيكل خلية شمسية نموذجية: واجهة زجاجية، طبقة موصلة شفافة، طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم لتوجيه الإلكترونات، طبقة الماص البيروفسكايت التي تحتوي الجسيمات النانوية، طبقة عضوية لجمع الثغرات، وقطب خلفي من الذهب لعكس الضوء. لأن نيتريد التيتانيوم يتفاعل بقوة مع نطاق واسع من الأطوال الموجية، لا سيما عند تشكيله وتغطيته بعناية، يمكن للجسيمات أن تحاصر وتُركِّز الضوء المرئي والقريب من تحت الأحمر داخل وحول البيروفسكايت.

محاكاة الضوء والكهرباء داخل الخلية

بدلاً من بناء الأجهزة في المختبر، استخدم المؤلفون محاكيات حاسوبية متقدمة لتتبع ما يحدث للضوء والشحنات الكهربائية داخل الخلية الشمسية. تتبع طريقة تُدعى الفروق المنتهية في المجال الزمني كيف انعكس وُبعثر وامتص ضوء الشمس داخل البنية متعددة الطبقات وحول الجسيمات النانوية. من هذه الأنماط البصرية حسبوا عدد الإلكترونات والثغرات الحاملة للشحنة التي ستتولد عند كل عمق داخل الخلية. ثم أدخلوا هذه المعلومات في أداة أخرى، SCAPS-1D، التي تحاكي حركة تلك الشحنات واندماجها وأخيرًا مساهمتها في التيار والجهد عند أقطاب الخلية. سمح لهم هذا النهج المدمج باختبار العديد من خيارات التصميم—مادة الجسيمات، الشكل، الحجم، التباعد ونمط المصفوفة—دون تصنيع كل خيار فعليًا.

التقاط ما يقرب من كامل ضوء الشمس المفيد

حوّل التصميم المحسّن، الذي وضع قطعًا ناقصة بيضاوية من نيتريد التيتانيوم مرتبة في شبكة سداسية مكثفة، سلوك طبقة البيروفسكايت. أظهرت المحاكاة امتصاصًا بأكثر من 90 في المئة عبر نطاق واسع من 400 إلى 1200 نانومتر، ممتدًا جيدًا إلى القريب من تحت الحمراء. بالمقارنة، بقيت خلية مماثلة بدون جسيمات نانوية تمتص بكفاءة عالية فقط حتى حوالي 750 نانومتر، ثم انخفضت إلى نحو ربع تلك الأداء. كشفت خرائط المجال الكهربائي داخل الجهاز عن مناطق ساطعة مكثفة حول الجسيمات النانوية—دليل على أنها كانت تعمل كهوائيات صغيرة تلتقط وتعيد إصدار الضوء، مما يزيد كثيرًا من احتمال امتصاصه بواسطة البيروفسكايت المحيط.

كفاءة شبه نظرية على الورق

عندما تُرجمت هذه المكاسب البصرية إلى خرج كهربائي، أدت الخلية المحاكاة أداءً لافتًا. ارتفعت كثافة تيار الدائرة القصيرة، التي تقيس مقدار التيار تحت ضوء الشمس الكامل، من حوالي 26 إلى ما يقرب من 47 ميلي أمبير لكل سنتيمتر مربع—زيادة تقارب 80 في المئة. ارتفعت كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية من 18.2 في المئة إلى 31.8 في المئة، مقتربة من الحد النظري الأساسي لخلايا أحادية الوصلة. بينما يشدد المؤلفون على أن هذه القيم ناتجة عن محاكاة مثالية وأن الأجهزة الحقيقية ستواجه خسائر من العيوب وحدود التصنيع، تبرز النتائج كيف أن جسيمات نيتريد التيتانيوم يمكن أن تدفع خلايا بيروفسكايت نحو أداء قياسي باستخدام مادة متينة ومقاومة للحرارة ونسبياً غير مكلفة.

ما يعنيه هذا للألواح الشمسية المستقبلية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن إدخال جسيمات نانوية مصممة بعناية، قوية وميسورة داخل خلية بيروفسكايت قد يسمح للألواح المستقبلية بجمع ليس فقط ضوء الشمس المرئي ولكن أيضًا جزءًا كبيرًا من القريب من تحت الحمراء غير المرئي. إذا أمكن تحقيق هذه التصاميم عمليًا، فإنها تعد بألواح أخف وزنًا وأكثر كفاءة وربما أرخص، مما يساعد على جعل الكهرباء المتجددة أكثر تنافسية وانتشارًا في الجهود لخفض انبعاثات الغازات الدفيئة.

الاستشهاد: El-Mallah, M.N., El-Aasser, M. & Gad, N. Performance enhancement of perovskite solar cells through plasmonic titanium nitride nanoparticles. Sci Rep 16, 7182 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37468-0

الكلمات المفتاحية: خلايا بيروفسكايت الشمسية, جسيمات نانوية من نيتريد التيتانيوم, الضوئيات البلازمونية, تعزيز امتصاص الضوء, كفاءة طاقة شمسية