طوّر باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT مادة طلاء شفافة موصلة للكهرباء، ما ساعد على زيادة التوصيل الكهربي إلى 10 أضعاف، وبدمجها في الخلايا الشمسية عالية الكفاءة، أسهمت طبقة الطلاء في تحسين كفاءة الخلية الشمسية واستقرارها.
تقول الباحثة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كارين جليسون Karen Gleason: «كان هدفنا العثور على مادة شفافة موصلة كهربيًّا، لتُستخدم في عدة تطبيقات، بما في ذلك شاشات اللمس و الخلايا الشمسية».
إن المادة المستخدمة على نطاق واسع اليوم لمثل هذه الأغراض هي أكسيد الإنديوم تيتانيوم ITO، لكنها مادة هشة للغاية وتتصدع بعد فترة من الاستخدام.
قبل عامين، طورت جليسون مع فريقها نسخةً مرنة من مادة شفافة موصلة ونشروا نتائجهم، لكن افتقرت هذه المادة إلى مميزات ITO من الشفافية العالية والتوصيلية الكهربية، وفي هذا تتفوق المادة الجديدة بعشرة أضعاف.
تُقاس الشفافية المركبة combined transparency والتوصيلية conductivity بوحدة سيمنز لكل سنتيمتر Siemens per centimeter، والتي تتراوح في حالة أكسيد الإنديوم تيتانيوم من 6,000 إلى 10,000، وكان مُستبعدًا وصول أي مادة جديدة لهذه القيَم، بل كان هدف البحث هو العثور على مادة تحقق على الأقل 35 سيمنز لكل سنتيمتر.
تجاوز البحث السابق التوقعات بالغًا قيمة 50، أما المادة الجديدة فقد تخطت ذلك مسجلةً 3000 سيمنز لكل سنتيمتر، وما زال الفريق يسعى إلى ضبط أدق للعملية لزيادة هذه القيمة.
تترسب المادة المرنة عالية الأداء، وهي بوليمر عضوي يعرف باسم PEDOT، في طبقة رقيقة للغاية بسمك بضعة نانومترات فقط، باستخدام عملية تسمى ترسيب البخار الكيميائي التأكسدي oCVD.
ينتج عن هذه العملية طبقة بلورات صغيرة تتراص أفقيًّا تمامًا، ما يعطي المادة توصيلية عالية. إضافةً إلى ذلك، بإمكان طريقة ترسيب البخار الكيميائي التأكسدي تقليل مسافة التراص بين سلاسل البوليمرات داخل البلورات، ما يحسن التوصيل الكهربي أكثر.
ولإثبات الفائدة المحتملة للمادة، دمج الفريق طبقة متراصة بكفاءة عالية من مادة PEDOT في خلية شمسية من البيروفسكايت Perovskite. تُعَد هذه الخلايا بديلًا واعدًا للسيليكون لكفاءتها العالية وسهولة تصنيعها، ولا يعيبها سوى افتقارها إلى التحمل، لكن وجود الطبقة الجديدة من مادة PEDOT المصطفة بكفاءة عالية حسَّن كفاءة البيروفسكايت وضاعف استقراره.
في الاختبارات الأولية، طُبِّق ترسيب البخار الكيميائي التأكسدي على مواد يبلغ قطرها 15 سنتيمترًا، وهي قابلة للتطبيق صناعيًّا على نطاق واسع، وتتصف العملية بسهولة التطبيق إذ يمكن معالجة الطلاء عند 140 درجة مئوية، وهي درجة حرارة أقل كثيرًا مما تتطلبه المواد البديلة.
إن عملية ترسيب البخار الكيميائي التأكسدي لمادة PEDOT هي عملية من خطوة واحدة، تتيح الترسيب المباشر على أسطح بلاستيكية، وهو المطلوب للخلايا الشمسية المرنة والشاشات، في حين تتطلب المواد الموصلة الشفافة الأخرى ترسبيًا أوليًّا على سطح أقوى، ثم عمليات معقدة لرفع الطبقة ونقلها إلى البلاستيك.
تسمح عملية ترسيب البخار الجاف للطبقات الرقيقة الناتجة أن تتبع أدق تفاصيل السطح حتى يُطلى كليًّا بالتساوي، ما قد يكون مفيدًا في بعض التطبيقات. فمثلًا يمكن استخدامها لطلاء المنسوجات ومع ذلك يبقى النسيج نفاذًا، إذ ستطلي المادة النسيج فقط دون المسام.
ما زال الفريق يبحث إمكانية توسيع نطاق التطبيق، وإثبات استقراره على مدار فترات زمنية أطول وتحت ظروف مختلفة، لذا فإن البحث ما زال مستمرًا. تقول جليسون: «لا يوجد عائق تقني للمضي قدمًا في هذا الأمر، وتبقى مسألة تطبيقه رهنًا بمن سيستثمر المشروع تجاريًّا».
اقرأ أيضًا:
طلاء جديد يحول الزجاج الطبيعي الى زجاج خارق
“تطوير خلايا شمسية بلاستيكية تقلل من خسائر طاقة الفوتون”
ترجمة: سرمد يحيى
تدقيق: محمد الصفتي
مراجعة: أكرم محيي الدين
