طوّر فريق بحثي من الجامعة الوطنية في سنغافورة خلية شمسية مترادفة جديدة من البيروفسكايت والمركبات العضوية، معتمدة لتحقيق كفاءة تحويل طاقة (PCE) تبلغ 26.4% ضمن مساحة نشطة تبلغ 1 سم²، محققةً بذلك رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا لمثل هذه الأجهزة. نُشرت النتائج في العدد الأخير من مجلة Nature.

وأكد الفريق أن الخلية الترادفية التي تم تطويرها حديثًا تجمع بين النحافة الفائقة والمرونة، مما يتيح التكامل المباشر في المستقبل في المعدات التي تعمل بالذكاء الاصطناعي مثل الطائرات بدون طيار والمنسوجات الذكية والأجهزة القابلة للارتداء لتوفير الطاقة النظيفة.

ابتكار رائد: ممتص عضوي ذو فجوة نطاق ضيقة

يكمن جوهر هذا التطور في جهاز الامتصاص العضوي ذي فجوة النطاق الضيق الرائد الذي ابتكره الفريق. يعمل هذا الجهاز كمصيدة دقيقة للفوتونات، حيث يلتقط الفوتونات بكفاءة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، متغلبًا بنجاح على عقبة تقنية قائمة منذ فترة طويلة في تطوير الخلايا الشمسية الترادفية ذات الأغشية الرقيقة.

في حين أن فجوات النطاق القابلة للضبط في مواد البيروفسكايت وأشباه الموصلات العضوية توفر إمكانية تجاوز حدود الكفاءة النظرية، إلا أن الامتصاص المنخفض للأشعة تحت الحمراء القريبة أعاق التقدم بشكل مستمر.

التصميم الجزيئي المبتكر

لمواجهة هذا التحدي، ابتكر الفريق مُستقبِلاً عضوياً غير متماثل. لا يقتصر هذا الهيكل على توسيع نطاق امتصاص الضوء ليشمل مناطق الأشعة تحت الحمراء القريبة العميقة فحسب، بل يحافظ أيضاً على قوة دفع كافية لفصل الشحنات مع تمكين محاذاة جزيئية عالية التنظيم. ومن خلال التحليل الطيفي فائق السرعة وتحليل فيزياء الأجهزة، أكد الفريق أن هذا التصميم يحقق تجميعاً فعالاً للشحنات مع أدنى حد من فقدان الطاقة.

تكامل الأجهزة والأداء

عمليًا، قام الباحثون بتكديس هذه الخلية الفرعية العضوية عالية الأداء مع خلية بيروفسكايت علوية، ودمجهما عبر طبقة أكسيد موصلة شفافة. ومن أهم النتائج:

● 27.5% PCE لجهاز صغير بحجم 0.05 سم2

● 26.7% PCE لجهاز قياسي 1 سم2

● كفاءة معتمدة بشكل مستقل بنسبة 26.4% للخلية التي تبلغ مساحتها 1 سم2

لا يحطم هذا الإنجاز الرقم القياسي لخلايا البيروفسكايت العضوية فحسب، بل يتفوق أيضًا على خلايا البيروفسكايت-CIGS من نفس الحجم وخلايا البيروفسكايت ذات الوصلة الواحدة.