طرق تحضير الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت
يُعد تحضير مواد البيروفسكايت خطوةً حاسمةً في تحقيق خلايا شمسية عالية الكفاءة. على المستوى الجزيئي، يتفاعل PbI₂ وCH₃نيو هامبشاير₃I بسرعة من خلال التجميع الذاتي لتكوين CH₃نيو هامبشاير₃PbI₃. وبالتالي، سواءً في الطور الصلب أو السائل أو الغازي، يُمكن للخلط الدقيق للمادتين الخام أن يُنتج مادة البيروفسكايت المطلوبة. ومع ذلك، بالنسبة لطبقات الخلايا الشمسية الرقيقة الممتصة للضوء ذات السُمك الأقل من ميكرومتر واحد، فإن بلورات البيروفسكايت الكبيرة الناتجة عن طرق التفاعل في الطور الصلب غير مناسبة على الإطلاق.
كانت الطريقة الأولى لإعداد أغشية البيروفسكايت الرقيقة للخلايا الشمسية هيطريقة الطور السائل بخطوة واحدةحيث تُذاب نسب متكافئة من PbI₂ وCH₃نيو هامبشاير₃I في مذيبات مثل γ-بيوتيرولاكتون أو N,N-ثنائي ميثيل فورماميد (دي إم إف). تُسقط كمية معينة من المحلول على طبقة سقالة نانوية المسام وتُغطى بطبقة دوارة بسرعة محددة. بعد التسخين لإزالة المذيب، يُحصل على قطب ضوئي مملوء بالبيروفسكايت. لتحضير البيروفسكايت المُشبع بالكلور، يُستخدم كلوريد الرصاص₂ وكمية زائدة من CH₃نيو هامبشاير₃I كمواد أولية. بعد إزالة المذيب والمعالجة الحرارية، يُشكل الجزء المتكافئ من هالوميثيل أمين وهاليد الرصاص البيروفسكايت، بينما يتبخر الجزء الزائد.
الطريقة الطور السائل ذات الخطوتينيفصل ترسيب PbI₂ وتكوين البيروفسكايت إلى خطوتين: أولاً، يُغطى محلول PbI₂ بتركيز معين بطبقة دوارة على طبقة السقالة المسامية. ثم يُغمر الغشاء المغطى بـ PbI₂ في محلول يوديد ميثيل أمونيوم في الأيزوبروبانول، مما يؤدي إلى تحويل PbI₂ الأصفر تدريجيًا إلى بيروفسكايت بني داكن.
قام H. سنيث وآخرون بتطويرطريقة ترسيب التبخر المشترك بالبخارلتحضير أغشية البيروفسكايت الرقيقة. تُمكّن هذه التقنية أيضًا من إنتاج خلايا شمسية عالية الكفاءة من البيروفسكايت، ولكنها تتطلب معدات تبخر مشترك معقدة لهاليد الرصاص وهاليد الميثيل أمونيوم. بالإضافة إلى ذلك،طرق الطور السائل بمساعدة البخارظهرت مؤخرًا تقنية جديدة. تتضمن هذه الطريقة طلاء غشاء PbI₂ بالغزل ثم تعريضه لبخار CH₃نيو هامبشاير₃I، مما يسمح بتكوين البيروفسكايت ببطء. مقارنةً بطرق التبخير المشترك، تُقلل هذه التقنية في الطور السائل بمساعدة البخار من متطلبات المعدات التجريبية.
يمكن لجميع طرق تحضير الأغشية الرقيقة للبيروفسكايت المذكورة أعلاه تحقيق كفاءات تتجاوز12%ومع ذلك، من الصعب توسيع نطاق عملية الطلاء الدوراني المستخدمة في طرق الطور السائل لإنتاج كميات كبيرة.
تم توسيعه إلى مقال تكنولوجي (حوالي 1200 كلمة):
التطورات في تصنيع الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت: التقنيات والتحديات نحو التوسع
مقدمة
شهدت خلايا البيروفسكايت الشمسية (شركات الخدمات الخاصة) ارتفاعًا غير مسبوق في كفاءة تحويل الطاقة (بي سي إي)، من 3.8% عام 2009 إلى أكثر من 26% في السنوات الأخيرة للأجهزة صغيرة المساحة. ومع ذلك، لا يزال تطبيق هذه الكفاءات على وحدات كبيرة المساحة يمثل تحديًا كبيرًا. يكمن جوهر هذا التحدي في تحضير أغشية رقيقة عالية الجودة وموحدة من البيروفسكايت. لا تقتصر طريقة التصنيع على تحديد الخصائص البصرية الإلكترونية فحسب، بل تؤثر أيضًا على قابلية التوسع والجدوى التجارية لتقنية البيروفسكايت الشمسية.
1. تقنيات التصنيع الأساسية
1.1 طريقة الطور السائل بخطوة واحدة
تتضمن هذه الطريقة إذابة كميات متكافئة من PbI₂ وCH₃نيو هامبشاير₃I في مذيبات قطبية مثل دي إم إف أو γ-بيوتيرولاكتون. يُرسَّب المحلول على ركيزة عبر طلاء الدوران، وتُزيل عملية التلدين الحراري المذيب، مُشكِّلةً طبقة البيروفسكايت. بالنسبة للمركبات المُشبَّعة بالكلور (مثل CH₃نيو هامبشاير₃PbI₃₋ₓClₓ)، يُستخدم كلوريد الرصاص₂ والكمية الزائدة من CH₃نيو هامبشاير₃I. يتبخر المكون العضوي الزائد أثناء التلدين. على الرغم من بساطتها، إلا أن هذه الطريقة تُواجه صعوبة في التحكم في حركية التبلور، مما يؤدي غالبًا إلى تكوين أغشية مثقوبة وغير متجانسة على ركائز أكبر.
1.2 طريقة الطور السائل ذات الخطوتين
هنا، يُرسَّب PbI₂ أولاً على الركيزة. بعد ذلك، يُغمر الغشاء في محلول CH₃نيو هامبشاير₃I في الأيزوبروبانول، مما يُحوِّل PbI₂ إلى بيروفسكايت. يُوفِّر هذا النهج التسلسلي تحكمًا أفضل في عملية التحويل، وغالبًا ما يُنتج أغشية أكثر تجانسًا. مع ذلك، قد يعمل التحويل غير المكتمل وبقايا PbI₂ كمراكز إعادة تركيب للشحنات، مما يُحدِّ من أداء الجهاز.
1.3 طرق ترسيب الطور البخاري
للتغلب على قيود معالجة المحلول، تم تطوير تقنيات تعتمد على البخار.
التبخر المشترك بالبخار:طُوِّرت هذه التقنية من قِبَل فرق مثل سنيث، وتتطلب تبخيرًا حراريًا متزامنًا لـ PbI₂ وCH₃نيو هامبشاير₃I في حجرة عالية التفريغ. تُنتج هذه التقنية أغشية عالية الجودة وخالية من الثقوب الدقيقة، مع تحكم دقيق في تركيبها، ولكنها تتطلب معدات باهظة الثمن وإنتاجية منخفضة.
عملية الحل بمساعدة البخار (فاسب):نهج هجين، حيث يُعرَّض غشاء PbI₂ المعالج بالمحلول لبخار CH₃نيو هامبشاير₃I. ينتشر البخار في الغشاء الصلب، محولاً إياه إلى بيروفسكايت. تُقلل هذه الطريقة الحاجة إلى أنظمة تفريغ معقدة، وغالبًا ما تُنتج أغشية ذات تبلور وتغطية فائقة مقارنةً بالطرق المعتمدة على المحاليل فقط.
2. التغلب على تحديات قابلية التوسع
إن الانتقال من طلاء الدوران على نطاق المختبر إلى أساليب متوافقة مع الصناعة أمر بالغ الأهمية للتسويق التجاري.
2.1 تقنيات الطلاء القابلة للتطوير
يركز البحث على تقنيات مثل:
طلاء الشفرة:طريقة طلاء موجهة بالهلال، حيث تنشر شفرة حبر المادة الأولية على ركيزة. توفر هذه الطريقة استخدامًا عاليًا للمواد، وهي متوافقة مع المعالجة من لفة إلى لفة (R2R). تشمل التحديات الرئيسية التحكم في ديناميكيات السوائل والتبلور أثناء عملية التجفيف السريع.
طلاء القالب المشقوق:تقنية أخرى متوافقة مع R2R، تُجري قياسًا مسبقًا للحبر، مما يُتيح تحكمًا دقيقًا في سُمك الفيلم وتجانسه. غالبًا ما تُدمج استراتيجيات فعّالة لإزالة المذيبات، مثل إخماد النيتروجين، لإدارة التبلور.
طلاء الرش:مناسب للأسطح الكبيرة وغير المنتظمة، لكن تحقيق أفلام موحدة وخالية من الثقوب يظل صعبًا.
2.2 هندسة التبلور
يُعدّ التحكم في عملية التبلور أمرًا بالغ الأهمية للحصول على أغشية عالية الجودة على مساحات واسعة. وتشمل الاستراتيجيات ما يلي:
الهندسة الإضافية:إن إضافة مواد مضافة مثل حمض الماكلوريك أو ثنائي ميثيل سلفوكسيد إلى الحبر الأولي يمكن أن يعمل على تعديل حركية التبلور، مما يؤدي إلى حبيبات أكبر وكثافة عيب أقل.
إخماد الغاز:يؤدي استخدام الغاز المنفوخ (مثل الهواء أو N₂) أثناء الترسيب أو بعده إلى تسريع تبخر المذيب، مما يعزز التبلور السريع والموحد.
طرق مساعدة الفلاش الفراغي:يؤدي تطبيق الفراغ بعد ترسيب المحلول إلى تبخر المذيب بسرعة، مما يؤدي إلى تكوين مراحل وسيطة كثيفة يمكن تحويلها إلى بيروفسكايت عالي الجودة عند التلدين.
2.3 الهندسة التركيبية
يُعدّ استكشاف تركيبات البيروفسكايت المستقرة والمختزلة بالرصاص أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الاستدامة والاستقرار. ويمكن لاستبدال الرصاص جزئيًا بالقصدير أو الفورماميدينيوم (الاتحاد الانجليزي لكرة القدم⁺) بميثيل الأمونيوم (ماجستير⁺) ضبط فجوة النطاق وتحسين الاستقرار الحراري.
3. التوقعات والتحديات الصناعية
في حين أن تقنيات مثل طلاء الشفرة وطلاء القالب الشقي قد أظهرت كفاءةً تتجاوز 20% في معالجة المواد على مساحات صغيرة، إلا أن أداءها على الوحدات ذات المساحات الكبيرة لا يزال ضعيفًا. تشمل التحديات الرئيسية ما يلي:
توحيد الفيلم:الحفاظ على تجانس السُمك والتركيب على مدى أمتار ليس بالأمر الهيّن. يؤدي عدم التجانس إلى خسائر في التيار وانخفاض عوامل التعبئة.
إدارة العيوب:غالبًا ما يؤدي الترسيب القابل للتطوير إلى ظهور المزيد من العيوب، مما يستلزم تطوير استراتيجيات التخميل القابلة للتطوير.
الإنتاجية والتكلفة:يعد تحقيق التوازن بين سرعة المعالجة وجودة الفيلم أمرًا بالغ الأهمية لتقليل تكاليف التصنيع.
استقرار:إن تحقيق الاستقرار التشغيلي على المدى الطويل في ظل الظروف الواقعية (الحرارة والرطوبة والضوء والتحيز) للوحدات ذات المساحة الكبيرة هو العقبة النهائية قبل التبني على نطاق واسع.
من الأمور الواعدة أن الشركات ومعاهد البحث تُجري تجارب لإنتاج وحدات البيروفسكايت واسعة النطاق. على سبيل المثال، حققت وحدات صغيرة مطبوعة بالكامل باستخدام تقنيات R2R كفاءةً بلغت حوالي 11% في مساحات نشطة تبلغ حوالي 50 سم².
خاتمة
تطورت رحلة تصنيع الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت من الطلاء الدوراني البسيط إلى تقنيات طباعة متطورة بمساعدة البخار وقابلة للتطوير. وبينما لا تزال التحديات المتعلقة بإمكانية التوسع والاستقرار والحفاظ على الكفاءة في المساحات الكبيرة قائمة، فإن التقدم السريع يُبشّر بتفاؤل كبير. يُمهد الابتكار المستمر في تقنيات الترسيب والتحكم في التبلور وتصميم المواد الطريق أمام خلايا البيروفسكايت الشمسية للانتقال من مجرد فضول مختبري إلى تقنية كهروضوئية تجارية.
