طور فريق دولي من العلماء في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) ومعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) وجامعة فرايبورغ طريقة مبتكرة تعزز على نحو ظاهر من كفاءة واستقرار الخلايا الشمسية. ويرتكز هذا الإنجاز على معالجة سطح البيروفسكايت في خلايا بيروفسكايت-سيليكون المترابطة بجزيء واحد فقط. ويتوقع أن يسهم هذا الاكتشاف في توفير مليارات الدولارات للدول التي تتبنى الطاقة الشمسية.

مكنت هذه التقنية الخلايا الشمسية المجربة من تحقيق كفاءة تحويل بلغت 3.1 وجهد كهربائي مفتوح الدارة قياسيا بلغ 2.01 فولت، وهما من المؤشرات الحاسمة لأداء الخلايا الشمسية. كما حافظت الأجهزة المعالجة على أدائها المحسن في أثناء تشغيلها على الساحل السعودي عند درجات حرارة تجاوزت 40 مئوية ولمدة فاقت 1500 ساعة. ويعرف أن الحرارة الشديدة تتسبب عادة في إضعاف الخلايا الشمسية نتيجة ارتفاع حرارة مكوناتها الالكترونية.

توضح هذه الكفاءة سبب الاستثمار الكبير للصناعة في خلايا بيروفسكايت-سيليكون المترابطة مقارنة بالخلايا السيليكونية التقليدية، التي لا تتجاوز لا كفاءتها الفيزيائية 0. إذ يتيح الجمع بين خلية بيروفسكايت وخلية سيليكون في تصميم مترابط الاستفادة المثلى من الطيف الشمسي، ما يسمح بالتقاط طاقة أكبر من ضوء الشمس.

وفي سياق الإنتاج واسع النطاق لهذه الخلايا المترابطة، يعد استخدام خلية سيليكونية تقليدية للطبقة السفلية خيارا عمليا بفضل رسوخ تقنيات تصنيعها. غير أن هذه الخلايا تنقش عادة بسطح هرمي لزيادة المساحة السطحية وتحسين الكفاءة، وهو ما يعقد ترسيب طبقة البيروفسكايت على هذا السطح. وحتى وقت قريب، لم يكن قد تحقق تمرير سطحي (passivation) عالي الجودة لطبقة البيروفسكايت على هذه الأسطح الهرمية.

قال الدكتور أسامة الراجي، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة وعالم في معهد فراونهوفر (ISE) «حتى الآن، لم يستغل التمرير السطحي بفاعلية في خلايا بيروفسكايت-سيليكون المترابطة ذات السطح المنقوش، إذ اقتصرت النجاحات السابقة غالبا على التصاميم المسطحة. لكننا تمكنا من تحقيق تمرير ممتاز عبر ترسيب مركب 1,3-diaminopropane dihydroiodide PDAI على سطح البيروفسكايت غير المستوي».

أوجد مركب الـ PDAI تأثيرا كهربائيا مفيدا عبر طبقة البيروفسكايت بأكملها. وعلى عكس الخلايا السيليكونية التقليدية، حيث يقتصر تأثير المعالجة على السطح، فقد حسنت معالجة طبقة البيروفسكايت بالـPDAI من خصائص المادة نفسها، ما رفع من قدرة توصيلها الكهربائي وكفاءتها الكلية.

وأضاف البروفيسور ستيفان دو وولف من كاوست، وهو مؤلف رئيسي آخر «يعتبر هذا الإنجاز أساسا قويا للأبحاث المستقبلية في هذا المجال. فقد ساهم في تعزيز فهمنا للعمليات التي تحدث في الطبقة العلوية في أثناء تحويل الضوء إلى كهرباء، مما يمكن العلماء من استخدام هذه المعرفة لتطوير خلايا مترابطة بشكل أفضل».

وأردف الراجي قائلا «كانت التجارب التي أجريت في كاوست حاسمة، إذ إن الجمع بين الخبراء متعددي التخصصات والبنية التحتية البحثية عالمية المستوى ساهم إلى حد بعيد في تسريع وتيرة البحث».

ومع استثمارات السعودية الضخمة في الطاقة الشمسية، يؤكد هذا الإنجاز الدور المتنامي للمملكة كمركز عالمي لأبحاث وابتكارات الطاقة المتجددة، كما يبرز مكانة كاوست في قيادة هذا التحول من خلال العلوم المتقدمة والشراكات الدولية.