البيروفسكايت وخلايا البيروفسكايت الشمسية: نظرة عامة مقارنة

ما هي البيروفسكايت وخلايا البيروفسكايت الشمسية؟

البيروفسكايت هي مجموعة من المعادن ذات البنية البلورية الخاصة. وهي ليست نادرة عند إنتاجها في المختبرات. ويستخدم العلماء هذه المواد المصنوعة في المختبرات لبناء خلايا شمسية. تقوم خلايا البيروفسكايت الشمسية الناتجة بتحويل الضوء إلى كهرباء. وهي تُظهر أداءً جيدًا ويمكن صنعها بتكلفة منخفضة. تساعد بنية هذه المواد على تحسين امتصاص الضوء ونقل الشحنة. تستخدم العديد من المجموعات البحثية خلايا البيروفسكايت الشمسية كوسيلة لتحسين تحويل الطاقة الشمسية.

وقد حظيت هذه الخلايا الشمسية باهتمام كبير خلال السنوات الماضية. فهي تتمتع بامتصاص عالي للضوء وعملية تصنيع بسيطة، كما أن أداءها ينافس أداء التقنيات القديمة. ويقارن العديد من المهندسين هذه الخلايا بخلايا السيليكون الشمسية التقليدية. تساعدنا هذه المناقشة على فهم كيف يمكن أن تساهم خلايا البيروفسكايت الشمسية في تلبية احتياجات الطاقة في المستقبل.

هيكل ومواد خلية البيروفسكايت الشمسية

الركيزة

الركيزة هي قاعدة الخلية الشمسية. فهي توفر الدعم المادي وتثبت الطبقات الأخرى في مكانها. الركائز الشائعة هي الزجاج أو المواد البلاستيكية المرنة. توفر هذه المواد المتانة والثبات. وفي كثير من الحالات، يساعد اختيار الركيزة على تقليل التكلفة وسهولة التركيب.

الطبقة الموصلة الشفافة

الطبقة التالية هي الطبقة الموصلة الشفافة. تسمح هذه الطبقة للضوء بالوصول إلى المناطق النشطة. كما أنها توصل الكهرباء المتولدة في الخلية. وتستخدم هنا مواد مثل أكسيد القصدير الإنديومأو أكسيد القصدير المشبع بالفلور. وهي تجمع بين الحاجة إلى الشفافية والتوصيل الكهربائي الجيد.

طبقة نقل الإلكترون

تلعب طبقة نقل الإلكترون دوراً رئيسياً في نقل الإلكترونات بعيداً عن طبقة البيروفسكايت. وتعد مواد مثل ثاني أكسيد التيتانيوم من الخيارات الشائعة. تساعد هذه الطبقة على منع إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب. وبذلك تزيد من الكفاءة الكلية للخلية الشمسية.

طبقة البيروفسكايت

تقع طبقة البيروفسكايت في قلب الجهاز. وهي تحتوي على بلورات البيروفسكايت التي تمتص الضوء. عندما يصطدم الضوء بهذه الطبقة، فإنها تخلق أزواجاً من الإلكترونات والثقوب. وهذه العملية ضرورية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. وغالبًا ما يتم تشكيل طبقة البيروفسكايت من خلال عملية حل بسيطة أقل تكلفة مقارنة بالطرق الأخرى.

طبقة نقل الثقوب

بعد طبقة البيروفسكايت، يأتي دور طبقة نقل الثقوب. تحمل هذه الطبقة الشحنات الموجبة بعيدًا عن البيروفسكايت. وتستخدم مواد مثل سبيرو-أوميتاد أو مركبات عضوية أخرى. وتضمن هذه الطبقة وصول الشحنات الموجبة إلى القطب المعدني بكفاءة. تقلل هذه العملية من الفاقد وتحسن أداء الخلية.

القطب المعدني

الطبقة الأخيرة هي القطب المعدني. تجمع هذه الطبقة الشحنات التي انتقلت عبر الطبقات. وتشمل الخيارات الجيدة للقطب المعدني الفضة أو الذهب. يكمل القطب المعدني الدائرة الكهربائية في الخلية الشمسية. ودوره ضروري لاستخراج وتجميع الكهرباء المولدة.

كيف تعمل خلية البيروفسكايت الشمسية؟

امتصاص الضوء

تبدأ عملية العمل بامتصاص الضوء. عندما تسطع الشمس على طبقة البيروفسكايت، تمتص المادة الضوء. وتتمتع بلورات البيروفسكايت بمعامل امتصاص عالٍ. يخلق الضوء الممتص أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. وهذه هي الخطوة الأولى في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.

فصل الشحنات

بمجرد امتصاص الضوء، تحدث خطوة فصل الشحنات. تسحب طبقة نقل الإلكترونات الإلكترونات بعيدًا عن طبقة البيروفسكايت. وفي الوقت نفسه، تأخذ طبقة نقل الفجوات الشحنات الموجبة. ويمنع هذا الفصل الشحنات من إعادة تجميع الشحنات في وقت مبكر جدًا. ويتم إنشاء مسار واضح لكل نوع من الشحنات.

تجميع الشحنات

الخطوة الأخيرة هي تجميع الشحنات. تصل الشحنات المنفصلة إلى القطب المعدني والطبقة الموصلة. وتشكل تياراً كهربائياً. ويمكن بعد ذلك استخدام هذا التيار للتطبيقات العملية. تعمل كل طبقة من الخلايا الشمسية بالترادف لتحقيق هذه النتيجة. وهذه العملية بسيطة وفعالة في نفس الوقت.

البيروفسكايت مقابل تقنيات الخلايا الشمسية الأخرى

خلايا السيليكون الشمسية

كانت خلايا السيليكون الشمسية هي المعيار الذهبي لسنوات عديدة. فهي تعمل بشكل جيد وتوفر استقرارًا طويل الأمد. ومع ذلك، تتطلب خلايا السيليكون الشمسية طاقة عالية لإنتاجها. تستخدم الخلايا الشمسية البيروفسكايت طاقة أقل في الإنتاج. ويمكن تصنيعها من خلال طرق أبسط. وهذا الاختلاف يجعلها بديلاً جذاباً.

الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تشتملالخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة على مواد مثل تيلورايد الكادميوم وسيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم. هذه الخلايا خفيفة الوزن وأكثر مرونة من خلايا السيليكون. تشترك خلايا البيروفسكايت الشمسية في بعض هذه المزايا. كما أنها مرنة في التصميم ويمكن إنتاجها على أنظمة اللف والدحرجة. وفي بعض الاختبارات، أظهرت خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءة أعلى خلال فترة قصيرة. وقد لفت ذلك انتباه العديد من المهندسين.

الخلايا الضوئية العضوية

تستخدم الخلايا الكهروضوئية العضوية مواد قائمة على الكربون لتحويل الضوء إلى كهرباء. وتتميز بكونها غير مكلفة ومرنة. ومع ذلك، فإنها غالبًا ما تُظهر كفاءة أقل وطول عمر أقصر. توفر الخلايا الشمسية البيروفسكايت حلًا وسطًا. فهي تجمع بين سهولة المعالجة التي نراها في الخلايا الكهروضوئية العضوية وكفاءة أعلى. وهذا يجعلها مناسبة في العديد من الأماكن بما في ذلك الخلايا الكهروضوئية المتكاملة في المباني.

الخاتمة

لقد غيرتالبيروفسكايت والخلايا الشمسية البيروفسكايت الطريقة التي ننظر بها إلى الطاقة الشمسية. فقد جذبت بنيتها البسيطة وعملياتها الفعالة من حيث التكلفة العديد من الباحثين والمجموعات الصناعية. وفي حين لا تزال هناك تحديات مثل الاستقرار وطول العمر، فإن فوائد انخفاض تكلفة الإنتاج والكفاءة العالية واعدة. توضح هذه النظرة العامة أن خلايا البيروفسكايت الشمسية تحتل مكانة قوية بين تقنيات الخلايا الشمسية الأخرى. ومع استمرار الأبحاث، قد تصبح هذه الخلايا مشهدًا شائعًا في مشهد الطاقة لدينا.

الأسئلة المتداولة

س: هل خلايا البيروفسكايت الشمسية مستقرة بمرور الوقت؟
س: الاستقرار آخذ في التحسن. تعمل العديد من المختبرات على الطلاء والتغليف لحماية المادة.

و: ما هو المكون الرئيسي لخلية البيروفسكايت الشمسية؟
س: طبقة البيروفسكايت ضرورية لأنها مسؤولة عن امتصاص الضوء وتوليد الشحنات.

و: كيف يمكن مقارنة خلايا البيروفسكايت الشمسية بخلايا السيليكون الشمسية؟
س: إنها أبسط وأرخص في الإنتاج، لكن خلايا السيليكون لا تزال تتفوق في الاستقرار على المدى الطويل.