طور فريق بحثي صيني خلية شمسية بيروفسكايت ذات تصميم نصف كروي بسطح مجسم، بهدف تقليل حساسية الخلية لزاوية سقوط ضوء الشمس، وتعزيز امتصاص الضوء وتوليد الشحنات بشكل أكثر انتظامًا.
تفاصيل التصميم والمحاكاة
نمذج الباحثون خمس معماريات للخلية: مسطحة، أسلاك نانوية، نصف كروية ملساء، ونصف كروية بأسطح مخروطية مدورة أو مجسمة. تكون كل جهاز من قطب أكسيد القصدير والإنديوم (ITO)، وطبقة نقل إلكترون من فينيل-سي61-بيوتيريك أسيد ميثيل إستر (PCBM)، وممتص بيروفسكايت يوديد الرصاص والميثيل أمونيوم (CH₃NH₃PbI₃)، وطبقة نقل ثقوب من أكسيد النيكل (NiO)، وقطب خلفي من الفضة (Ag).
استخدم الفريق برنامج Lumerical لمحاكاة المعماريات الخمس، وتحليل امتصاص الضوء، والتشتت، والمجالات الكهرومغناطيسية، وتوليد الشحنات عبر أطوال موجية تتراوح بين 300 و800 نانومتر، وزوايا سقوط من 0° إلى 50°. أُدمجت ملفات توليد الشحنات الناتجة في محاكيات كهربائية تأخذ في الاعتبار نقل الحاملات وإعادة التركيب، لحساب خصائص التيار-الجهد، وكفاءة تحويل الطاقة، وأقصى قدرة خروجة تحت زوايا إضاءة مختلفة.
نتائج الأداء والكفاءة
حققت الخلية ذات السطح المخروطي المدور المجسم متوسط كثافة تيار قصر دائرة بلغ 25.47 ميلي أمبير/سم²، مقارنة بـ 24.03 للخلية نصف الكروية الملساء، و22.52 للخلية المسطحة. كما سجلت متوسط أقصى قدرة خروجة 28.25 ميلي واط/سم²، مع تجاوز امتصاص الضوء 95%.
أهمية البحث والتطبيقات المستقبلية
خلص الباحثون إلى أن التصميم يفصل أداء الجهاز عن زاوية الضوء الساقط، متغلبًا على التحدي الحرج المتمثل في الاعتماد الزاوي لقدرة الخرج. وأشاروا إلى أن التماثل ثلاثي الأبعاد للنصف الكروي يتيح نقل حاملات متوازن، بينما تضمن رنينات مي داخل غلاف البيروفسكايت حبسًا ضوئيًا فعالًا. نُشرت الدراسة بعنوان "الخلايا الكهروضوئية القوية ضد الزاوية عبر تهجين رنين مي لإخراج طاقة مستقر في الخلايا الشمسية البيروفسكايتية" في مجلة Solar Energy، وشارك فيها علماء من جامعة جيلين العادية والأكاديمية الصينية للعلوم.
