تحسين أداء وثبات خلايا شمسية بيروفسكايتية قائمة على ميثيلأمونيوم رصاصي يوديد باستخدام بدائيات بلورية مفردة

تحويل الضوء إلى طاقة، في الداخل والخارج

الألواح الشمسية منتشرة بالفعل على الأسطح، لكن فئة أحدث من المواد تُدعى البيروفسكايتات تعد بكفاءة أعلى وتكلفة تصنيع أقل. أحد أبسط البيروفسكايتات وأكثرها شهرة، المعروف باسم MAPbI3، يكتسب سمعة السوء لانهياره بسرعة، خصوصاً تحت التعرض للضوء والحرارة. تعيد هذه الدراسة فحص هذا الافتراض وتُظهر أن تغييراً ذكياً في طريقة تصنيع المادة يمكن أن يعزز بشكل كبير كل من إنتاجها الطاقي واستقرارها طويل الأمد، فاتحاً المجال لطاقة شمسية موثوقة ليس فقط في الهواء الطلق، بل أيضاً تحت إضاءة داخلية لأجهزة إلكترونية صغيرة.

لماذا تهم هذه المواد الشمسية

تجذب خلايا شمسية بيروفسكايتية الاهتمام لأنها تمتص ضوء الشمس بكفاءة عالية ويمكن معالجتها من محاليل سائلة عند درجات حرارة منخفضة نسبياً. MAPbI3، على وجه الخصوص، سهل الصنع وله خصائص متوازنة جيداً، لكن تقارير سابقة وصفتها بأنها هشة للغاية للاستخدام في العالم الحقيقي. استند هذا الاستنتاج إلى حد كبير على أفلام مصنوعة وفق وصفة تقليدية تمزج ملحتين مبدئيتين في مذيب وتتركهما يتفاعلان على سطح. في هذه الأفلام التقليدية، تبقى غالباً بقايا صغيرة من إحدى الملاح — يوديد الرصاص — وباتت تلك البقايا تُعامل طويلاً باعتبارها إما عيباً ثانوياً أو حتى ميزة مفيدة، ما قد طمس الإمكانات الحقيقية لـ MAPbI3.

طريقة جديدة لبناء الطبقة الماصة للضوء

عالج الباحثون المشكلة من المصدر: «الحبر» السائل الذي تُطلى منه طبقة البيروفسكايت. بدلاً من مزج مكونات منفصلة قد لا تتفاعل تماماً، نمّوا أولاً بلورات كبيرة ونقية مفردة من MAPbI3 ثم ذابوا هذه البلورات لصنع محلول الطلاء. لأن البلورات تحتوي مسبقاً على التوازن الصحيح للمكونات، فإن الأفلام الناتجة تكاد تكون خالية من يوديد الرصاص المتبقي والمنتجات الثانوية غير المرغوب فيها. عندما اُستخدمت هذه الأفلام المعتمدة على البلورات المفردة في هياكل خلايا شمسية قياسية، وصلت الأجهزة إلى كفاءة تحويل طاقة بلغت 21.55%، مقارنةً بـ18.61% للخلايا المصنوعة من المحاليل التقليدية — مكسب كبير تحقق أساساً عبر جهد أعلى ومنحنى تيار–جهد أكثر ملاءمة.

أفلام أنظف، عيوب خفية أقل

أظهرت القياسات التفصيلية سبب فاعلية مسار البلورات المفردة. أظهرت الميكروسكوبات أن الأفلام التقليدية تحتوي على كثير من البقع الصغيرة المضيئة المركزة عند حدود الحُبَيْبات؛ وهذه تتطابق مع بصمة بقايا يوديد الرصاص. بالمقابل، تُشكل الأفلام الجديدة طبقات كثيفة وناعمة بحُبَيْبات متجانسة وبدون تجمعات شوائب واضحة. كشفت الاختبارات الكهربائية المصممة لحصر العيوب الداخلية أن الأفلام المحسنة تحتوي على كثافة أقل بكثير من مصائد الشحنة الإلكترونية حيث يمكن أن تتعطل الشحنات وتضيع. وأظهرت قياسات أخرى حقولاً كهربائية داخلية أقوى وتيارات تسرب غير مرغوب فيها أقل. مجتمعة، تؤدي هذه الميزات إلى فصل ونقل أكثر كفاءة للشحنات المُنشأة عندما يصيب الضوء الخلية الشمسية.

الثبات والدور الخفي للأملاح المتبقية

المفاجأة الأكبر أتت من طريقة تقدم نوعي الأفلام مع مرور الوقت. فقدت الخلايا غير المحمية المصنوعة من محاليل تقليدية أداؤها بسرعة، متراجعة إلى أقل من نصف كفاءتها الأصلية. بينما احتفظت تلك المبنية من أفلام مشتقة من البلورات المفردة بنسبة 98% من إنتاجها الابتدائي حتى بعد نحو ستة أسابيع في هواء الغرفة. من خلال تتبع التغيرات في البنية البلورية وكيمياء السطح، عَزَف الفريق هذا الاختلاف إلى دور دورات من التفاعلات الكيميائية المحفَّزة بالرطوبة والضوء. يمكن أن تتفاعل بقايا يوديد الرصاص مع الماء لتكوين مركبات جديدة وحمض تفاعلي، الذي يهاجم البيروفسكايت نفسه. وتحت الإضاءة، يمكن لنفس البقايا أن تتحلل أكثر إلى رصاص فلزي وأنواع من اليود تعمل كعوامل حفازة، ما يسرّع تحلل المادة وينحت فراغات في الفيلم. عندما لا يحتوي الفيلم الابتدائي على مثل هذه البقايا تقريباً، تُقمع هذه الدورات المدمرة إلى حد كبير.

من أجهزة مخبرية إلى وحدات مصغرة عملية

لإظهار أن الطريقة قابلة للتوسع خارج خلايا الاختبار الصغيرة، قام الباحثون بتصنيع وحدات مصغرة بحجم 5 في 5 سنتيمترات، أشبه بالمنتجات الحقيقية. باستخدام نهج البلورات المفردة، وصلت هذه الأجهزة الأكبر تقريباً إلى كفاءة تقارب 20% تحت شمس ساطعة وإلى ما يقرب من 40% تحت إضاءة LED داخلية نموذجية، متفوقة على الوحدات المصنوعة بالطريقة التقليدية. وبما أن الأفلام الجديدة أكثر تجانساً كيميائياً وبنيوياً، فهي ملائمة لأساليب التصنيع على نطاق واسع مع الحفاظ على أداء مرتفع.

ما الذي يعنيه هذا لتقنية اليوميات

بالانطلاق من بلورات بيروفسكايتية مُشكَّلة مسبقاً ونقية للغاية بدل المكونات الخام، تُظهر هذه الدراسة أن MAPbI3 ليس غير مستقر بطبيعته كما كان يُخشى سابقاً. ينبع كثير من سمعته السيئة من يوديد الرصاص المتبقي الذي يتكوّن أثناء المعالجة القياسية، والذي يزرع بصمت شبكة من التفاعلات المحفزة بالرطوبة والضوء التي تآكل الطبقة الشمسية مع الوقت. أزل تلك البقايا، ويمكن للمركب البسيط نفسه أن يقدم كفاءة عالية وطويلة الأمد سواء في خلايا صغيرة أو وحدات أكبر. وهذا يجعل MAPbI3 مرشحاً قوياً لتغذية حساسات داخلية، وأجهزة لاسلكية، وإلكترونيات أخرى تحتاج إلى حصاد طاقة موثوق في ظروف إضاءة منخفضة دون وصفات مواد معقدة.

الاستشهاد: Kunnathumpeedika, S., Kattoor, V. & Wei, TC. Enhancing performance and stability of methylammonium lead iodide-based perovskite solar cells using single-crystal precursors. Commun Mater 7, 117 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01123-y

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية بيروفسكايتية, الضوئيات الداخلية, ثبات المواد, بدائيات بلورية مفردة, شوائب يوديد الرصاص