اكتشف العلماء آلية فيزيائية ضوئية جديدة حققت كفاءة قياسية في الخلايا الكهروضوئية العضوية

حققت مركبات OPV الأفضل أداءً التي طورها فريق CityU معدل PCE يزيد عن 19%، ويتوقع الفريق أن يتجاوز 20% قريبًا جدًا. يعد هذا الاكتشاف واعدًا لتسويق الـOPVs.

تعتبر مركبات OPVs، وهي تقنية خلايا شمسية تعتمد على أشباه الموصلات العضوية، مرشحًا واعدًا للطاقة النظيفة بسبب سميتها المنخفضة للمواد وقابلية الضبط الجزيئي الواسعة في المواد النشطة ضوئيًا. في الوقت الحالي، تتبنى معظم الخلايا الكهروضوئية العضوية عالية الأداء بنية 'الوصلة غير المتجانسة' (BHJ)، التي تتكون من مواد مانحة للإلكترون ومستقبلة ممزوجة في جميع أنحاء الطبقة النشطة للجهاز (انظر الشكل 1).

عند تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء في المركبات العضوية الثابتة، فإن الطاقة الناتجة عن ضوء الشمس تخلق الإكسيتونات (إلكترون سالب الشحنة وثقب موجب الشحنة مرتبطان معًا)، والتي تنفصل بعد ذلك إلى إلكترونات حرة وثقوب في السطح البيني بين المانح والمستقبل النانوي، مما يولد حاملات الشحنة (تيار ضوئي) و وبالتالي الكهرباء.

ومع ذلك، إذا لم يتم جمع حاملات الشحنة هذه بواسطة الأقطاب الكهربائية وتقابلت مع بعضها البعض مرة أخرى في الواجهة بين المانح والمستقبل، فقد تتحد من جديد لتشكل ما يسمى 'إكسيتون ثلاثي الدوران' منخفض الطاقة (T).₁) ، والذي يرتاح على التوالي مرة أخرى إلى الحالة الأرضية، مما يتسبب في فقدان الطاقة في شكل حرارة وبالتالي فقدان التيار الكهروضوئي. هذه العملية التي لا رجعة فيها تحد بشدة من الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه من PCE للـ OPVs.

تغلب فريق بحث بقيادة البروفيسور أليكس جين كوان يوي، أستاذ كرسي لي شاو كي لعلوم المواد ومدير معهد هونج كونج للطاقة النظيفة في CityU، على هذه العقبة من خلال اختراع استراتيجية جديدة لهندسة الأجهزة لقمع T.₁ تشكيل وتقليل فقدان إعادة التركيب المرتبط بها، مما أدى إلى كفاءة قياسية في OPVs.

'نحن الفريق الأول الذي تمكن من تعديل T₁ قال البروفيسور جين: 'التشكيل من خلال هندسة الأجهزة دون تغيير خصائص المواد النشطة ضوئيًا والكشف عن الآلية الأساسية. وباستخدام هذه الإستراتيجية، قمنا بتوسيعها لتشمل 14 نظامًا ماديًا آخر لإظهار قابلية التطبيق الشامل لهذه الدراسة'. ' ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في المجلة العلمية طاقة الطبيعة، تحت عنوان 'فقدان إعادة التركيب المكبوت في الخلايا الكهروضوئية العضوية التي تعتمد بنية الوصلات غير المتجانسة المختلطة المستوية.'

من خلال استبدال بنية الوصلات الكبيرة غير المتجانسة التقليدية شديدة الخلط (BHJ) داخل الخلية الشمسية بـ 'وصلة غير متجانسة مختلطة مستوية' (PMHJ) لتقليل الخلط بين المانحين والمتقبلين داخل الطبقة النشطة من OPVs، تمكن الفريق من تمكنت من التخفيف من فقدان تحويل الطاقة في مركبات OPV عن طريق قمع إعادة تركيب حاملات الشحن. أدى هذا الاكتشاف إلى زيادة التيار الكهروضوئي للمركبات OPV، مما أدى إلى ظهور أجهزة ذات معدل PCE مرتفع يزيد عن 19%.

'بالمقارنة مع بنية الوصلة غير المتجانسة المختلطة المختلطة (BHJ)، فإن إستراتيجية الوصلة غير المتجانسة المختلطة المسطحة (PMHJ) لدينا قادرة على قمع مسار الخسارة الذي تتوسطه حالات نقل الشحنة في الواجهة بين المانح والمستقبل، ' أوضح البروفيسور جين. 'لقد كشفنا أن وجود عدد أقل من الاتصالات بين المانحين والمتقبلين في الترابط المختلط المسطح يقلل من فرصة إعادة التركيب ويؤدي إلى انخفاض T₁ تركيز. وهذا يغير بشكل جذري الانطباع السابق للباحثين عن الـOPVs -- أنه كلما زاد عدد الاتصالات بين المانحين والمتقبلين، كلما ارتفع أداء الـOPV.'

وأضاف الدكتور فرانسيس لين، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الكيمياء، والذي شارك أيضًا في الدراسة: 'إن المفاضلة المثلى بين الجهد الكهروضوئي والتيار الكهروضوئي الناتجة عن استراتيجيتنا تمكن الخلايا الكهروضوئية من الحصول على كفاءة تنافسية مماثلة لتلك التي تتمتع بها الخلايا الكهروضوئية غير العضوية'. وأوضح أن الخلايا الكهروضوئية العضوية تتمتع بالعديد من المزايا مقارنة بنظيراتها غير العضوية، مثل كونها خفيفة الوزن ومرنة، مثل طبقة بلاستيكية رقيقة، وتسمح بتصنيع فعال من حيث التكلفة، باستخدام إنتاج الطباعة على شكل لفافة.

يعتقد الفريق أن اكتشافه الأخير يوفر أساسًا شاملاً للخلايا الكهروضوئية العضوية المستقبلية للوصول إلى وعدها الكامل وتحفيز موجة جديدة من الدراسات حول العمليات الفيزيائية الضوئية المتنوعة في أشباه الموصلات العضوية.

إنهم يتقدمون بطلب للحصول على براءة اختراع لهذا الاكتشاف. قال البروفيسور جين: 'نأمل في تعزيز أداء الـOPVs بشكل أكبر بعد اكتشافنا الجديد لتعديل العمليات الفيزيائية الضوئية. وهذا يعيد تعريف الحد الأقصى من إمكانات الـOPVs لتسهيل تسويقها'.

البروفيسور جين والدكتور لين، من CityU، والبروفيسور Zhang Chunfeng، من جامعة نانجينغ، هم المؤلفون المقابلون لهذه الورقة. المؤلفون الأوائل يشملون السيد جيانغ كوي، طالب دكتوراه في قسم الكيمياء في CityU، والذي شارك في البحث عندما كان مساعدًا للباحث في مجموعة البروفيسور جين.

تم دعم البحث من قبل مصادر تمويل مختلفة، بما في ذلك كرسي الأستاذية Lee Shau-Kee (علوم المواد)، CityU، ولجنة الابتكار والتكنولوجيا في هونغ كونغ، ومجلس المنح البحثية في هونغ كونغ، ومشروع قوانغدونغ الرئيسي للعلوم الأساسية والتطبيقية. البحوث الأساسية، ومختبر قوانغدونغ وهونغ كونغ وماكاو المشترك للمواد الوظيفية الإلكترونية والمغناطيسية.