اكتشف علماء من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (UCLA) و Solargiga Energy في الصين أن الكافيين يمكن أن يساعد في جعل البديل الواعد للخلايا الشمسية التقليدية أكثر كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء. إن بحثهم ، الذي نُشر في 25 أبريل في مجلة جول ، قد يمكّن هذه التكنولوجيا الفعالة من حيث التكلفة للطاقة المتجددة من المنافسة في السوق مع خلايا السيليكون الشمسية.
بدأت الفكرة كمزاح على قهوة الصباح. “في يوم من الأيام ، بينما كنا نناقش خلايا البيروفسكايت الشمسية ، قال زميلنا روي وانغ:” إذا كنا بحاجة إلى القهوة لتعزيز طاقتنا ، فماذا عن البيروفسكايت؟ هل يحتاجون إلى القهوة لأداء أفضل؟ ” مجموعة الأبحاث البروفيسور يانغ يانغ في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا.
أدى التعليق غير المنقطع للفريق إلى التذكير بأن الكافيين الموجود في القهوة عبارة عن مركب يحتوي على بنى جزيئية يمكن أن تتفاعل مع سلائف مواد البيروفسكايت – مركبات ذات بنية بلورية معينة تشكل طبقة حصاد الضوء في فئة من الخلايا الشمسية . شملت المحاولات السابقة لتحسين الاستقرار الحراري لهذه الخلايا الشمسية تعزيز طبقة البيروفسكايت عن طريق إدخال مركبات مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد ، لكن الباحثين كافحوا لتعزيز كفاءة الخلايا واستقرارها على المدى الطويل. لم يجرب أحد الكافيين.
أدركوا أنهم قد يكونوا على شيء ما ، وضع الفريق جانباً قهوتهم وبدأوا في إجراء مزيد من التحقيق. لقد أضافوا الكافيين إلى طبقة البيروفسكايت المكونة من أربعين خلية شمسية واستخدموا التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (والذي يستخدم الأشعة تحت الحمراء لتحديد المركبات الكيميائية) لتحديد أن الكافيين قد ارتبط بنجاح مع المادة.
عند إجراء المزيد من اختبارات التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، لاحظوا أن مجموعات الكربونيل (ذرة كربون مزدوجة مرتبطة بالأكسجين) في الكافيين تتفاعل مع أيونات الرصاص في الطبقة لإنشاء “قفل جزيئي”. زاد هذا التفاعل من الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لفيلم perovskite للتفاعل ، مما زاد من كفاءة الخلايا الشمسية من 17 في المئة إلى أكثر من 20 في المئة. استمر القفل الجزيئي في حدوثه عند تسخين المادة ، مما قد يساعد في منع الحرارة من تكسير الطبقة.
“لقد فوجئنا بالنتائج” ، يقول وانغ ، وهو أيضًا مرشح دكتوراه في مجموعة أبحاث يانغ في جامعة كاليفورنيا. “خلال تجربتنا الأولى لدمج الكافيين ، وصلت خلايانا الشمسية بالفعل إلى أعلى مستويات الكفاءة التي حققناها في الورقة”.
لكن بينما يبدو أن الكافيين يحسن أداء الخلايا التي تستخدم البيروفسكايت بشكل كبير لامتصاص أشعة الشمس ، لا يعتقد الباحثون أنه سيكون مفيدًا لأنواع أخرى من الخلايا الشمسية. يسمح التركيب الجزيئي الفريد للكافيين فقط بالتفاعل مع سلائف البيروفسكايت ، والتي قد تعطي هذا التنوع للخلايا الشمسية ميزة في السوق. تتمتع خلايا بيروفسكايت الشمسية بالفعل بميزة كونها أرخص وأكثر مرونة من نظيراتها السيليكونية. كما أنها سهلة الصنع – يمكن تصنيع خلايا البيروفسكايت من سلائف قائمة على المحلول بدلاً من سبائك بلورية صلبة. مع إجراء مزيد من البحوث ، يعتقد وانغ أن الكافيين قد يسهل إنتاج خلايا بيروفسكايت الشمسية على نطاق واسع.
يقول: “الكافيين يمكن أن يساعد البيروفسكايت على تحقيق بلورة عالية ، عيوب منخفضة ، واستقرار جيد”. “هذا يعني أنه يمكن أن تلعب دورًا محتملًا في إنتاج خلايا بيروفسكايت الشمسية القابلة للتطوير.”
من أجل مواصلة تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية واستقرارها ، يخطط الفريق بعد ذلك لمزيد من التحقيق في التركيب الكيميائي لمادة البيروفسكايت المدمجة بالكافيين وتحديد أفضل المواد الواقية للبيروفسكايت.
مصدر القصة:
المواد المقدمة من Cell Press
