أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية تحت الماء قد يزيد كفاءة تحويل الكهرباء (تقرير)

أشارت دراسة حديثة إلى أن أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية تحت الماء قد يزيد كفاءة تحويل الكهرباء لديها مقارنة بأدائها خارج الماء.

وبحسب متابعة منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن) لتحديثات القطاع، وجد باحثون في إيطاليا أن أداء خلايا البيروفسكايت تحت الماء قد يزيد كفاءة تحويل الكهرباء في أعماق ضحلة جدًا.

واختبر فريق الباحثين أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية شبه الشفافة ذات فجوة النطاق العريض في بيئات تحت الماء، ووجدوا أنه عند عمق يتراوح بين 0.5 و1 سم، تحقّق الأجهزة كفاءة تحويل كهرباء أعلى بفضل معامل انكسار الماء.

وقالت الباحثة المشاركة في البحث، جيسيكا باريكيلو، لمجلة “بي في ماغازين”: “تكمن ميزة عملنا في عملية داخلية بالكامل، تشمل تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية، واختبار التغليف عبر اختبارات تسرّب الرصاص، وغمر خلايا البيروفسكايت الشمسية في الماء”.

مزايا البيروفسكايت

أوضحت الباحثة المشاركة في البحث، جيسيكا باريكيلو، أن “البيروفسكايت يُعد تقليديًا غير مناسب للبيئات الرطبة، وللبيئة المائية التي يسكنها البشر بصورة متزايدة، التي تشهد تطورًا في أنشطة مثل تعتيق النبيذ وزراعة النباتات”.

في ورقة بحثية بعنوان “تحت السطح: دراسة خلايا البيروفسكايت الشمسية تحت الماء”، نُشرت في مجلة “إنرجي آند إنفيرونمنتل ماتريالز” Energy & Environmental Materials، أوضح الباحثون أن بيئات تحت الماء تتطلّب ماصات ضوئية ذات فجوة نطاق واسعة تتراوح بين 2 و2.3 إلكترون فولت.

وتشبه الماصات الضوئية تلك المستعملة في أجهزة البيروفسكايت الكهروضوئية، في حين تتميّز معظم ماصات السيليكون المتوفرة تجاريًا بفجوة نطاق ضيقة تبلغ 1.11 إلكترون فولت.

وأكدوا أن البيروفسكايت عرضة للتدهور السريع في الغشاء الخارجي عند تعرّضه للرطوبة.

ولحلّ هذه المشكلة، استعمل الأكاديميون عملية تغليف “متينة” لبناء خلية شمسية تعتمد على ماص مصنوع من مادة البيروفسكايت المعروفة باسم “فورماميدينيوم بروميد الرصاص” FaPbBr3، التي تتميّز بفجوة نطاق طاقة تبلغ 2.3 إلكترون فولت.

وبنى العلماء خلية بمساحة سنتيمتر مربع واحد باستعمال ركيزة مصنوعة من أكسيد القصدير المشبع بالفلور.

واستعملوا طبقة نقل إلكترون تعتمد على أكسيد القصدير، وممتص فورماميدينيوم بروميد الرصاص، وطبقة نقل الثقوب القائمة على بولي (ثلاثي أريلامين)، وقطب كهربائي علوي من أكسيد قصدير الإنديوم.

وكان الهدف من هذا القطب الكهربائي تمكين حصاد الضوء المنعكس من الماء المحيط.

وغُلِّفت الخلية بمادة لاصقة من البولي إيزوبوتيلين (PIB) التي تُستعمل عادةً في خلايا البيروفسكايت الشمسية، وتُعد حلًا متوافقًا صناعيًا لا يتطلّب مذيبات في عملية تصفيح خالية من الإجهاد.

وأكد الباحثون أن “غلاف بولي إيزوبيوتين يزيد من قيمة النفاذية من 600 إلى 800 نانومتر دون التأثير في المنطقة الزرقاء-الخضراء (400-600 نانومتر) حيث يمكن للبيروفسكايت واسع الفجوة النطاقية امتصاص الضوء بفاعلية”.

ولمحوا إلى أن الخلايا الشمسية حقّقت كفاءة بلغت نحو 6.79%، في ظل ظروف الإضاءة القياسية.

اختبار أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية

اختبر الفريق أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية بغمرها في خزان مائي، للمرة الأولى لمدة 24 ساعة، والثانية لمدة 120 ساعة.

ووُضعت الخلايا على 3 أعماق: 0.5 سم تحت سطح الماء، و3 سم تحته، و6 سم تحته.

وعند عمق 0.5 سنتيمترًا، أظهرت الأجهزة زيادةً في الكفاءة تصل إلى 8% مقارنةً بالظروف الأولية خارج الماء، وهو ما عزاه العلماء إلى ارتفاع قيم تيار الدارة الكهربائية القصيرة.

وأوضحوا أن “زيادة التيار، وبالتالي الكفاءة، مرتبطة بتأثير الطلاء المضاد لانعكاس الماء في سطح الخلية الشمسية”، مشيرين إلى أن انخفاض درجة حرارة الماء ربما يكون قد أسهم في تحسين أداء الخلية، حسب تقرير طالعته منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وفي الوقت نفسه، لاحظ العلماء انخفاضًا أكثر وضوحًا مع زيادة عمق الماء.

وبناءً على نتائج تجارب ومحاكاة أخرى، اختتم العلماء عملهم بالقول إنه من المحتمل استعمال الأجهزة القائمة على البيروفسكايت في المستقبل لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء تحت الماء (IoUT) منخفضة الكهرباء على عمق يصل إلى 10 أمتار.

وتألّف فريق البحث من علماء من معهد بنية المادة التابع للمركز الوطني للبحوث العلمية والتقنية “سي إن آر-آي إس إم” الإيطالي (CNR-ISM)، ومركز الطاقة الشمسية الهجينة والعضوية بجامعة تور فيرغاتا وشركة “بي دايمنشنال” الإيطالية (BeDimensional SpA)، المتخصصة في المواد ثنائية الأبعاد.

وفي عام 2020، قام علماء من معهد بيرلا للتكنولوجيا والعلوم، والمعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور، وشركة “ديفنس ماتريالز” (Defense Materials)، بدراسة أداء الخلايا الشمسية تحت الماء.

ووفقًا لنتائجهم، تستفيد الخلايا الشمسية المغمورة من درجات حرارة منخفضة وبيئة مثالية للتنظيف.

موضوعات متعلقة..

• إعادة تدوير الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت.. تقنية جديدة
• رفع كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بالملح.. مفاجأة علمية بمشاركة سعودية
• ابتكار جديد لخلايا البيروفسكايت الشمسية.. يطيل عمرها 3 مرات

اقرأ أيضًا..

• أمين عام أوبك: إنتاج النفط العالمي يهبط لأول مرة منذ 4 سنوات.. وهذا حجم الصادرات
• ما بدائل مضيق هرمز.. وهل تحقق أمن الطاقة للخليج؟ أنس الحجي يجيب
• أكثر 10 دول أفريقية امتلاكًا لسعة الطاقة الكهرومائية (إنفوغرافيك)

المصدر:

“اختبار خلايا البيروفسكايت الشمسية في بيئات تحت الماء يُظهر نتائج كفاءة مذهلة”، من مجلة “بي في ماغازين”.