أظهرت دراسة جديدة نُشرت في المجلة العلمية الشهيرة ساينس (Science) إن دمج جزيء صناعي في تصميم الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت يؤدي إلى تحسين كفاءة طاقتها وطول عمرها التشغيلي. وقد اُكْتُشِف فوائد هذا الجزيء، المعروف باسم"CPMAC"، من خلال تعاون بحثي دولي شمل عدة مؤسسات بحثية كبيرة من بينها جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست). 

ويُعد "CPMAC" اختصارًا لجزيء ملحي أيوني تم تصنيعه من مادة "باكمنستر فوليرين" (C60)، وهي مادة صلبة سوداء تتكون من ذرات الكربون. وعادةً ما يتم تصنيع الخلايا الشمسية من البيروفسكايت باستخدام مادة C60، التي ساهمت في تحقيق أرقام قياسية في كفاءة الطاقة. وعلى الرغم من التفضيل الواسع لاستخدام مادة C60، إلا أنها تحد من أداء واستقرار الخلايا الشمسية، مما دفع العلماء إلى البحث عن مواد بديلة. 

وقال البروفيسور عثمان بكر، أستاذ مركز التميز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين في كاوست (CREST)، والذي قاد جهود الجامعة في هذا البحث "على مدار أكثر من عقد من الزمن، كان C60 عنصرًا أساسيًا في تطوير خلايا البيروفسكايت الشمسية. إلا أن التفاعلات الضعيفة عند واجهة البيروفسكايت ومادةC60 تؤدي إلى تدهور ميكانيكي يؤثر في استقرار الخلية على المدى الطويل. ومن أجل معالجة هذه المشكلة، صممنا ملح أيوني مشتق من C60 يُعرف باسم(CPMAC)، لتعزيز استقرار الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت إلى حد بعيد".  

وقد حسَّنت كيمياء جزيء CPMAC الخصائص الإلكترونية للخلايا الشمسية. حيث سجلت الخلايا المحتوية عليه كفاءة تحويل طاقة أعلى بنسبة 0.6% مقارنة بالخلايا المصنوعة باستخدام مادة C60. 

وكمثال لتوضيح الأثر العملي لهذا التحسن، إذا كان متوسط إنتاج محطة طاقة كهربائية يبلغ 1 غيغاواط، فإن زيادة تقل عن 1% قد تكون كافية لتزويد 5000 منزل إضافي بالطاقة. 

وأوضح هونغوي تشو، الباحث العلمي في كاوست والمشارك في الدراسة "عند التعامل مع نطاق محطات الطاقة التقليدية، فإن الزيادة في الكهرباء الناتجة حتى لو كانت بجزء من نقطة مئوية تصبح ذات أثر كبير".  

وعلاوة على ذلك، أظهرت الخلايا الشمسية المحتوية على جزيء CPMAC انخفاضًا في كفاءة تحويل الطاقة بمقدار ثلث الانخفاض المسجل في خلايا C60، وذلك بعد تعريض كلا النوعين لدرجات حرارة مرتفعة ورطوبة متفاوتة لأكثر من 2000 ساعة، وهو معيار لاختبار استقرار الخلايا الشمسية. 

كما أصبح الفرق بين النوعين أكثر وضوحًا عند تجميع الخلايا في وحدات مكونة من أربع خلايا شمسية – وهو نموذج مبسط للوحة شمسية كاملة التي عادةً ما تحتوي على ما بين 50 إلى 100 خلية. 

وقد نُسبت هذه الفوائد إلى قدرة جزيء CPMAC على تقليل العيوب في مكون أساسي من مكونات الخلية الشمسية يُعرف بطبقة نقل الإلكترون، من خلال تكوين روابط أيونية مع البيروفسكايت عوضا عن الروابط الأضعف من نوع "فان دير فالس" التي تُنتجها مادة C60.