أداء بصري-كهربائي وحراري كهربائي تآزري في Rb2AsAuBr6 و Rb2AsAuCl6 بيروفسكايت مزدوج لتحويل الطاقة متعددة الوظائف

لماذا يهم وجود مادة تؤدي وظيفتين في آن واحد

تحتاج المجتمعات الحديثة إلى مواد قادرة على استخلاص أكبر قدر ممكن من الطاقة المفيدة من ضوء الشمس والحرارة المهدرة. ألواح الطاقة الشمسية الحالية تحول الضوء في الغالب إلى كهرباء، بينما تحول الأجهزة الحرارية الكهربائية الحرارة إلى طاقة بشكل منفصل. تستكشف هذه الدراسة بلورتين مصممتين حديثًا قد تؤديان كلا الوظيفتين معًا، مما يوفر مسارًا نحو تقنيات حصاد الطاقة أكثر تضاغطًا وكفاءة.

وحدات بنائية بنمط ذري مرتب

تنتمي المواد المحورية في هذا العمل إلى عائلة تُسمى البيروفسكايت المزدوج، التي ترتب ذرات مختلفة في نمط ثلاثي الأبعاد ومنظم للغاية. ركز الباحثون على مركبين مرتبطين يحتويان على الروبيديوم والزرنيخ والذهب وإما البروم أو الكلور. باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة، طرحوا أولاً سؤالًا أساسيًا: هل ستثبت هذه البلورات معًا في العالم الحقيقي؟ من خلال فحص سلوكها البنيوي والمرن وجدوا أن النسختين مستقرتان ميكانيكيًا وحراريًا، مع أن البلورة القائمة على الكلور أظهرت صلابة وكثافة أعلى قليلًا، بينما كانت تلك القائمة على البروم أكثر مرونة واتساعًا.

كيف تتفاعل مع الضوء

لكي تعمل في أجهزة الطاقة الشمسية والبصريات الكهربائية يجب أن تمتص المادة الضوء المرئي وتدفع الإلكترونات إلى حالات طاقة أعلى. تُظهر الحسابات أن كلا البلورتين شبه موصلتين مع فجوات طاقة—فترات طاقة تتحكم في امتصاص الضوء—مناسبة جيدًا للتطبيقات الشمسية. نسخة البروم لها فجوة طاقة أصغر، ما يعني أنها تبدأ في امتصاص الضوء عند طاقات فوتون أقل، بينما تحتاج نسخة الكلور إلى ضوء بقدرة طاقة أعلى قليلًا. كلاهما يظهر امتصاصًا قويًا في النطاق المرئي وفوق البنفسجي، مع عزوم امتصاص مماثلة لمواد امتصاص شمسية معروفة. وهذا يشير إلى أنهما قد يلتقطان ضوء الشمس بكفاءة في طبقات رقيقة، وهي خاصية مرغوبة لتقنيات شمسية خفيفة ومرنة.

تحويل الحرارة إلى كهرباء

بعيدًا عن حصاد الضوء، فحص الفريق مدى قدرة هذه المواد على تحويل فروق درجات الحرارة إلى جهد كهربائي، وهي خاصية تقاس بمعامل سيبيك. تُظهر البلورتان قيم سيبيك موجبة نسبياً وكبيرة، مما يدل على أنهما تفضّلان حوامل شحنة موجبة ويمكن أن يولدا جهودًا ملحوظة من تدرجات الحرارة. في الوقت نفسه، تنقلان الكهرباء بشكل معقول و، والأهم من ذلك، تنقلا الحرارة بشكل ضعيف. هذا المزيج—معامل سيبيك مرتفع، موصلية كهربائية معقولة، وموصلية حرارية منخفضة—هو بالضبط ما يلزم لأداء حراري كهربائي جيد. تقدّر الدراسة عامل الكفاءة الكلي (ZT) بما يقارب 0.75 لكلا المركبين، وهو رقم منافس مع العديد من المواد المعروفة في هذا المجال.

ما الذي يحدث بالداخل عندما تهتز الذرات

درس الباحثون أيضًا كيف تنقل الاهتزازات الذرية الحرارة وتستجيب للتغيرات في درجة الحرارة والضغط. يُظهر تحليلهم أن ذرات الذهب الثقيلة والبيئة الرباطية المعقدة تعترض التدفق السلس للطاقة الاهتزازية، مما يحافظ على نقل الحرارة الشبكي منخفضًا بشكل ملحوظ. الخواص المحسوبة مثل السعة الحرارية والإنتروبيا ودرجة حرارة ديبا والتوسع الحراري تتصرف جميعها بشكل منطقي فيزيائيًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يعزز الاستنتاج بأن هذه البلورات يجب أن تظل مستقرة أثناء التشغيل في ظروف أجهزة حقيقية.

لماذا يهم هذا العمل للأجهزة المستقبلية

ببساطة، تحدد الدراسة مادتين مرتبطتين بشكل وثيق متوقَع أن تمتصا ضوء الشمس بقوة، وتولدا تيارات كهربائية مفيدة، وتحصدا الكهرباء من الحرارة أيضًا، كل ذلك مع البقاء مستقرتين وقابلتين للعمل. تميل البلورة القائمة على البروم إلى امتصاص ضوئي أقوى واستجابة حرارية كهربائية أعلى، بينما تكون البلورة القائمة على الكلور أكثر متانة ومقاومة للحرارة قليلًا. معًا، تُظهران كيف يمكن للتصميم الذري الدقيق أن ينتج مواد "متعددة الوظائف" تجسر الفجوة بين تقنيات الطاقة الشمسية والحرارية الكهربائية، مما قد يمكّن أجهزة تلتقط الضوء والحرارة المهدرة في منصة صلبة واحدة.

الاستشهاد: Bouferrache, K., Ghebouli, M.A., Fatmi, M. et al. Synergistic optoelectronic and thermoelectric performance in Rb₂AsAuBr₆ and Rb₂AsAuCl₆ double perovskites for multifunctional energy conversion. Sci Rep 16, 13616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42440-z

الكلمات المفتاحية: بيروفسكايت مزدوج, طاقة شمسية, مواد حرارية كهربائية, حصاد الطاقة, أشباه الموصلات الهاليدية