خلال جلسة قهوة الصباح وبينما كان علماء بجامعة كاليفورنيا يناقشون خلايا البيروفسكايت الشمسية أطلق أحدهم مزحة قائلاً ‘إذا كنا بحاجة إلى القهوة لتعزيز طاقتنا ، فماذا عن خلايا البيروفسكايت هل تحتاج إلى القهوة لأداء أفضل ؟ أثار هذا التعليق نقاشاً بين الحاضرين حيث أنهم يعلمون بالفعل أن مركب الكافيين الموجود في القهوة يمكنه التفاعل مع سلائف البيروفسكايت .
البيروفسكايت هي مركبات تشكل طبقة حصاد الضوء في بعض أنواع الخلايا الشمسية و تعد البديل الواعد للخلايا الشمسية التقليدية . تتمتع خلايا بيروفسكايت الشمسية بالفعل بميزة كونها أرخص وأكثر مرونة من نظيراتها السيليكونية. كما أنها أسهل في التصنيع لكن يعيبها عدم القدرة على تحمل الحرارة المستمرة لضوء الشمس
وقال وانغ ، المؤلف المشارك الأول للدراسة: ‘تبلغ درجة غليان الكافيين 300 درجة مئوية ، وهي أعلى من درجة حرارة التشغيل للخلايا الشمسية ، لذلك يبدو أنه مرشح محتمل’.
أدرك الفريق أنهم ربما يكونوا قد وضعوا أيديهم على فكرة مميزة، وضع الفريق قهوتهم جانباً وبدأوا في إجراء مزيد من التحقيق.
بدء التجارب
لاختبار ما إذا كان الكافيين سيحسن الاستقرار الحراري للجهاز ، قام الفريق بعمل فيلم بيروفسكايت مخصص عن طريق مزج ثنائي ميثيل فورماميد ، ويوديد الميثيل الأمونيوم ويوديد الرصاص لإنشاء محلول سائل ، وإضافة الكافيين ، ثم صب المحلول على زجاج أكسيد القصدير طبقة من البيروفسكيت.
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 لكن لم يكن أحد قد جرب الكافيين.
قاموا بدمج الفيلم الجديد في خلية شمسية واختبروا قدرتها على تحمل درجات الحرارة المرتفعة عن طريق وضعها على صفيحة تسخينها إلى 85 درجة مئوية (حوالي 185 درجة فهرنهايت). عند قياس إنتاج الطاقة كل أربعة أيام لمدة شهرين ، وجد الباحثون أن الجهاز يحتفظ بثباته الحراري لأكثر من 1300 ساعة ، أو حوالي 55 يومًا ، مع الحفاظ على 86% من الطاقة التي يستهلكها – وهو إجراء يسمى كفاءة تحويل الطاقة.
للمقارنة ، اختبر الفريق أيضًا خلية بيروفسكايت شمسية مصنوعة بدون مادة الكافيين ؛ احتفظت فقط بـ 60 % من كفاءة تحويل الطاقة بعد 175 ساعة ، أو حوالي سبعة أيام.
خلايا أكثر كفاءة
اكتشف العلماء أن الكافيين ساهم في جعل خلايا البيروفسكايت أكثر كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء. قد تمكن أبحاثهم تكنولوجيا الطاقة المتجددة الفعالة من حيث التكلفة من المنافسة في السوق مع خلايا السيليكون الشمسية.
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 البيروفسكايت 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 ‘خلال محاولتنا الأولى لدمج الكافيين ، وصلت خلايا البيروفسكايت الشمسية لدينا بالفعل إلى أعلى مستويات الكفاءة التي توقعناها نظرياً.’
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. 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 يلعب دورًا محتملًا في إنتاج خلايا بيروفسكايت شمسية قابلة للتطوير.’
من أجل مواصلة تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية واستقرارها ، يخطط الفريق بعد ذلك لمزيد من التحقيق في التركيب الكيميائي لمادة البيروفسكايت المدمجة بالكافيين .