إعادة تشكيل قضبان نانوية هرمية NiCo2O4@ZnS مع أنابيب الكربون متعددة الجدران كقطب مقابل لتطبيقات الخلايا الشمسية الحساسة بالأصباغ

لماذا تهم مواد الطاقة الشمسية الأرخص ثمناً

البلاتين، ذلك المعدن اللامع المستخدم في المجوهرات وأنظمة عوادم السيارات، يعمل أيضاً كعامل رئيسي في بعض الخلايا الشمسية—لكنه نادر وغالٍ. تستعرض هذه الدراسة طريقة ذكية لاستبدال البلاتين في الخلايا الشمسية الحساسة بالأصباغ، وهي فئة من الأجهزة الشمسية شبه الشفافة ومنخفضة التكلفة، بمزيج من مكونات أكثر شيوعاً. من خلال إعادة التفكير في البنية الدقيقة على القطب الخلفي للخلية، نجح الباحثون في مضاهاة وحتى التفوق بدرجة طفيفة على جهاز قائم على البلاتين، ما يشير إلى تقنيات شمسية أرخص وأكثر استدامة.

كيف يعمل هذا النوع الخاص من الخلايا الشمسية

تعمل الخلايا الشمسية الحساسة بالأصباغ قليلاً مثل الأوراق الاصطناعية. يقوم صبغ ملون على طبقة مسامية بيضاء بالتقاط ضوء الشمس وحقن الإلكترونات في شبه موصل أسفلها. ثم تسافر هذه الإلكترونات عبر دائرة خارجية لأداء عمل مفيد قبل أن تعود إلى الخلية عند اتصال خلفي يُسمى القطب المقابل. داخل الخلية، ينقل سائل قائم على اليود الشحنة بين الصبغة والقطب المقابل. تؤثر جودة هذا الاتصال الخلفي بشدة على كفاءة عمل الخلية، لأنه يجب أن يكمل بسرعة الخطوة النهائية للدورة الكهربائية: مساعدة جزيئات اليود على تبادل الإلكترونات مراراً وتكراراً.

بناء نوع جديد من الاتصال الخلفي

بدلاً من طبقة مسطحة من البلاتين، بنى الفريق مادة منقوشة مكوَّنة من ثلاثة أجزاء للقطب المقابل. العمود الفقري مصنوع من قضبان نانوية من أكسيد النيكل–الكوبالت، تقف كغابة ميكروسكوبية وتوفر الكثير من المواقع للتفاعلات الكيميائية. تُزيَّن أسطح هذه القضبان بجسيمات كبريتيد الزنك التي تخلق مواقع تفاعلية إضافية وتعدّل البيئة الإلكترونية المحلية حيث تتم الكيمياء الأكسدة–الاختزال. وأخيراً، يخترق ويحيط بشبكة من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران القضبان، مكوِّناً شبكة موصلة للغاية تربط البنية بأكملها بالدائرة الخارجية. يتم تجميع كل هذا باستخدام خطوات قائمة على المحاليل عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، ما يتوافق مع التصنيع واسع النطاق.

التطفُّل على البنية بمقياس النانو

للتحقق مما بنوه، استخدم الباحثون مجموعة من تقنيات فحص المواد الأقرب إلى مختبر فيزياء منها إلى فني تركيب أسطح المنازل. أكدت حيود الأشعة السينية أن أكسيد النيكل–الكوبالت وكبريتيد الزنك حافظا على هياكلهما البلورية المترتبة عند المزج، وأن أنابيب الكربون النانوية أُدرجت بنجاح. كشفت مجاهر الإلكترون عن قضبان نانوية طويلة ومستقيمة مطلية بعناقيد صغيرة من كبريتيد الزنك، مع أنابيب نانوية تشبه الديدان تتشابك بينها. أظهرت خرائط التركيب الكيميائي وجود النيكل والكوبالت والزنك والكبريت والأكسجين والكربون جميعها بوجود جيد ومختلطة، بينما أشارت التحليلات الطيفية الحساسة للسطح إلى خليط من حالات التأكسد على النيكل والكوبالت—وهو أمر ملائم لتبادل سريع للإلكترونات مع الإلكتروليت اليودِي.

من التصميم المجهري إلى أداء الجهاز

اختبر الفريق بعد ذلك كيف تصرفت هذه البنى المعقدة كهربائياً وداخل خلايا شمسية عاملة. أظهرت القياسات الكهروكيميائية أنه مع إضافة كبريتيد الزنك ومزيد من أنابيب الكربون النانوية، مر التيار عبر المادة بسهولة أكبر واحتاج جهدًا أقل لتحفيز تفاعلات اليود الرئيسية. كشفت اختبارات المقاومة المترددة، التي تتعقّب مدى صعوبة تحرك الشحنة عبر الواجهات، عن انخفاض ملحوظ في المقاومة للمركب المحسّن. عندما استُخدمت كقطب مقابل في خلية شمسية حساسة بالأصباغ، بلغ مزيج الأداء الأفضل—الذي يحتوي على 9 في المئة من أنابيب الكربون النانوية بالوزن—كفاءة تحويل طاقة بلغت 10.03 في المئة تحت ضوء الشمس القياسي، وهي أعلى قليلاً من خلية متماثلة بخلاف استخدام البلاتين. كما أظهر المزيج إنتاج تيار أفضل وعامل تعبئة أقوى، وهو مقياس لمدى احتفاظ الجهاز بالجهد تحت الحمل.

الثبات والعملية للاستخدام في العالم الحقيقي

أظهرت اختبارات التحلل الحراري، التي تسخّن المادة بينما تتعقّب فقدان الوزن، أن المركب بقي قوياً هيكلياً ضمن نطاق درجات الحرارة ذات الصلة بتشغيل الخلايا الشمسية. أظهرت قياسات المساحة السطحية والمسامات بنية مسامية متوسطة، مع قنوات تسمح للإلكتروليت السائل بالتغلغل والوصول إلى المواقع النشطة دون انسداد مسارات حركة الأيونات. معاً، تدعم هذه الصفات—التوصيل الكهربائي الجيد، ومساحة التفاعل الوفيرة، والحفاظ على السلامة الهيكلية—أداءً موثوقاً على المدى الطويل بدلاً من كونه فضولاً مختبرياً هشاً.

ماذا يعني هذا للألواح الشمسية المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة واضحة: من خلال ترتيب أكاسيد معدنية شائعة وطبقة كبريتيد وتعبئة بأنابيب الكربون النانوية على مقياس النانومتر بعناية، من الممكن استبدال البلاتين المكلف في جزء رئيسي من خلايا شمسية معينة دون التضحية بالأداء. يوفر أكسيد النيكل–الكوبالت الإطار، ويضبط كبريتيد الزنك نشاط السطح، وتعمل الأنابيب النانوية كطرق سريعة للإلكترونات. ينتج عن هذا التصميم الهرمي خلايا شمسية حساسة بالأصباغ فعّالة، وربما أرخص وأكثر استدامة، مما يجعلها أكثر جاذبية لتطبيقات مثل الدمج في المباني أو الطاقة الشمسية المرنة حيث تكون التكلفة المنخفضة وسهولة التصنيع أموراً حاسمة.

الاستشهاد: Nukunudompanich, M., Nachaithong, T., Phumuen, P. et al. Remodelling hierarchical NiCo₂O₄@ZnS nanorods with multi-walled carbon nanotubes as a counter electrode for dye-sensitized solar cell applications. Sci Rep 16, 6869 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38255-7

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية الحساسة بالأصباغ, أقطاب خالية من البلاتين, أكسيد النيكل والكوبالت, أنابيب الكربون النانوية, كبريتيد الزنك