שיפור הביצועים והיציבות של תאי שמש פרובסקיט מבוססי מתילאמוניום עופרת יודידי באמצעות קדומים של גבישים יחידים

הפיכת אור לחשמל, בפנים ובחוץ

לוחות סולאריים כבר נפוצים על גגות, אך מחלקה חדשה של חומרים שנקראת פרובסקיטים מבטיחה ייעול גבוה יותר ועלות ייצור נמוכה יותר. אחד הפרובסקיטים המוקדמים והפשוטים ביותר, הידוע כ‑MAPbI3, התפרסם כבעל נטייה להתפרק במהירות, במיוחד תחת אור וחום. מחקר זה בוחן מחדש את ההנחה הזו ומראה ששינוי חכם בתהליך הייצור יכול להגביר משמעותית הן את תפוקת הכוח והן את היציבות לטווח הארוך, ובכך לפתוח אפשרויות לאספקת חשמל אמינה לא רק בחוץ אלא גם בתאורה פנימית למכשירים אלקטרוניים קטנים.

מדוע החומרים האלה חשובים

תאי שמש פרובסקיטיים מושכים בגלל שהם סופגים אור השמש ביעילות גבוהה וניתנים לעיבוד מתמיסות נוזליות בטמפרטורות יחסית נמוכות. MAPbI3, במיוחד, קל להכנה ובעל מאפיינים מאוזנים, אך דוחות קודמים רבים תייגו אותו כעדין מדי לשימוש בעולם האמיתי. המסקנה הזו התבססה בעיקר על סרטים שהוכנו ממרשם טיפוסי שמערבב שני מלחים התחלתיים בתמיסה ומאפשר להם להגיב על משטח. בסרטים המקובלים הללו, נשארים כמעט תמיד שאריות זעירות של מַלַח אחד — עופרת יודיד. שאריות אלה התייחסו במשך זמן רב כחיסרון קטן או אפילו כמאפיין מועיל, דבר שעשוי היה להסתיר את הפוטנציאל האמיתי של MAPbI3.

דרך חדשה לבניית השכבה הסופגת אור

החוקרים פתרו את הבעיה במקור שלה: ה"דיו" הנוזלי ממנו מצפה השכבה הפרובסקיטית. במקום לערבב מרכיבים נפרדים שעשויים לא להגיב במלואם, הם גידלו תחילה גבישי MAPbI3 טהורים וגדולים ואז פתרו אותם כדי להכין את תמיסת הציפוי. מאחר שהגבישים כבר מכילים את האיזון המדויק של הרכיבים, הסרטים המתקבלים חפים בפועל מרוב שאריות העופרת־יודיד ותוצרי לוואי בלתי רצויים אחרים. כאשר השתמשו בסרטים אלה, המבוססים על גבישים יחידים, במבני תאי שמש סטנדרטיים, המכשירים הגיעו ליעילות המרה של 21.55%, לעומת 18.61% בתאים שהוכנו מתמיסות מסורתיות — רווח ניכר שהושג בעיקר דרך מתח גבוה יותר ועקומת זרם–מתח מיטבית יותר.

סרטים נקיים יותר, פחות פגמים חבויים

מדידות מפורטות חשפו מדוע הגישה מבוססת־הגבישים עובדת כל כך טוב. מיקרוסקופיה הראתה שסרטים מקובלים מכילים נקודות בהירות קטנות רבות מרוכזות בגבולות הגרגר; אלה מתאימות לחתימת שאריות עופרת־יודיד. בהשוואה לכך, הסרטים החדשים יוצרים שכבות צפופות וחלקות עם גרגרים אחידים וללא צבירי זיהום גלויים. מבחני חשמל שנועדו לספור פגמים פנימיים מצאו שלסרטים המשתפרים צפיפות מלכודות אלקטרוניות נמוכה בהרבה, שבהן מטענים יכולים להיתקע ולהיאבד. מדידות נוספות הראו שדות חשמל פנימיים חזקים יותר וזרמי דליפה בלתי רצויים מופחתים. יחד, התכונות האלה מאפשרות הפרדה ותחבורה יעילה יותר של המטענים הנוצרים כאשר האור פוגע בתא השמש.

יציבות והתפקיד החבוי של מלחים שנותרו

הפתעה הגדולה ביותר הגיעה מצורת ההזדקנות של שני סוגי הסרטים לאורך זמן. תאים בלתי מוגנים שהוכנו מתמיסות מסורתיות איבדו במהירות ביצועים, ירדו מתחת לחצי היעילות המקורית. אלה שנבנו מסרטים שמקורם בגביש יחיד שמרו על 98% מתפוקת ההתחלה אפילו אחרי כשש שבועות באוויר החדר. בעקיבת השינויים במבנה הגבישי ובכימיה של המשטח, הקבוצה זיהתה שההבדל נובע ממחזורי תגובות כימיות המונעות על ידי לחות ואור. עופרת־יודיד שנותרה יכולה להגיב עם מים וליצור חומרים חדשים וחומצה תגובתית, שמתקיפה את הפרובסקיט עצמו. תחת תאורה, אותה שארית יכולה להתפרק עוד לחומר עופרת מתכתי ומינים יודיים שמתנהגים כמו קטליזטורים, מזרזים את התפרקות החומר וחורצים חללים בסרט. כאשר הסרט ההתחלתי כמעט ולא מכיל שאריות כאלה, מחזורים הרסניים אלה מדוכאים במידה רבה.

ממכשירי מעבדה למיני־מודולים שימושיים

כדי להראות שהשיטה מתאימה גם לגדלים מעבר לתאים ניסיוניים זעירים, החוקרים ייצרו מיני־מודולים בגודל 5 על 5 סנטימטר, הדומים יותר למוצרים אמיתיים. באמצעות הגישה מבוססת הגביש היחיד, המכשירים הגדולים יותר הגיעו לכמעט 20% יעילות תחת שמש חזקה וכמעט 40% תחת תאורת LED פנים טיפוסית, וביצעו טוב יותר ממודולים שהוכנו בדרך המסורתית. מכיוון שהסרטים החדשים אחידים יותר גם מבחינה כימית וגם מבחינה מבנית, הם מתאימים היטב לשיטות יצור לשטחים גדולים תוך שמירה על ביצועים גבוהים.

מה זה אומר לטכנולוגיה יומיומית

מתחילים מהגבישים הפרובסקיטיים המוכנים מראש והטהורים מאוד במקום מרכיבים גלמיים, עבודה זו מראה ש‑MAPbI3 אינו בלתי יציב מטבעו כפי שנחשד בעבר. מרבית המוניטין הרע שלו נובע מעופרת־יודיד שנותרת בתהליכי עיבוד סטנדרטיים, אשר נוטעת בסתר רשת של תגובות מונעות לחות ואור שמסירות את השכבה הסולארית עם הזמן. אם מסירים את השאריות האלה, אותו תרכובת פשוטה יכולה להעניק יעילות גבוהה ומתמשכת גם בתאים קטנים וגם במודולים גדולים יותר. הדבר עושה את MAPbI3 למועמד חזק להנעת חיישנים פנימיים, גאדג'טים אלחוטיים ומכשירים אלקטרוניים אחרים שדורשים קצירת אנרגיה אמינה בתאורה חלשה ללא מתכונים חומרים מסובכים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: תאי שמש פרובסקיט, פוטו-וולטאיקה לפנים מבנה, יציבות חומרית, קדומים של גבישים יחידים, זיהומי עופרת יודיד