طور العلماء تقنية ترابط جزيئي قد تعزز كفاءة واستدامة الخلايا الشمسية العضوية المرنة، مما يساهم في تجاوز عوائق كانت تحد من استخدامها الواسع. حققت هذه التصاميم الجديدة نسبة تحويل للطاقة تصل إلى 20.4% في خلايا صغيرة مخبرية، و18.8% في وحدات أكبر بحجم أكبر، مع احتفاظها بأكثر من 85% من كفاءتها الأصلية بعد 2000 ساعة من التشغيل المستمر تحت ظروف الاختبار.
وقد وصف فريق الباحثين من معهد نينغبو لتقنية وهندسة المواد، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، هذا العمل في مجلة Joule. على عكس الألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، تعتمد الخلايا الشمسية العضوية على مواد قائمة على الكربون لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، مع ما يميزها من خفة الوزن والمرونة وأساليب التصنيع التي تسمح بتغطية أسطح أوسع.
رغم المزايا، يظل جعل هذه الخلايا تعمل بشكل موثوق على مر الزمن تحدياً، خاصة في المنطقة الحساسة بين القطب الكهربائي وطبقة النقل التي تنقل الشحنات الكهربائية. تستخدم بعض الخلايا طبقة رقيقة جداً من الجزيئات التي تتجمع في طبقة واحدة، وتساعد على تدفق الشحنات، لكنها تميل إلى الضعف أو التفكك عند التعرض للحرارة والضوء.
لذلك، أدخل الفريق طبقة وسيطة تحتوي على مركبات من كلوريد الأنديوم، تساعد في تكوين روابط كيميائية متعددة تثبت الطبقة الجزيئية بشكل أكثر إحكامًا على القطب الكهربائي. أطلق الباحثون على هذه الاستراتيجية اسم “قفل جزيئي”، حيث تعمل على بناء شبكة أقوى عند الواجهة التي تتطلب استقرارًا، بدلاً من الاعتماد على ارتباط هش نسبياً.
اختبرت الطريقة في خلايا صغيرة ووحدات أكبر، لأنه من المهم التأكد من أن النتائج الممتازة على الأجهزة الصغيرة تنعكس على الأحجام العملية. وبلغت مساحة الوحدات الأكبر 15.6 سنتيمترًا مربعًا، وحقق الأداء بنسبة فعالية تصل إلى 18.8% في المنطقة النشطة، مما يدل على أن النهج يمكن أن ينجح في تطبيقات أكبر من مجرد المختبرات.
كما أظهرت النتائج أن الأجهزة حافظت على معظم أدائها خلال تشغيل طويل على درجة حرارة 25 مئوية، رغم أن ذلك لا يوضح المستقبل بعد التعرض للعوامل الجوية المختلفة في الظروف الخارجية. يركز البحث على تعزيز نقطة ضعف محددة بين طبقتين في الخلية، الأمر الذي يمكن أن يكون مفيدًا لأنه لا يكفي تحقيق كفاءة عالية بشكل مبدئي إذا كان الأداء يتدهور بسرعة عند الاستخدام.
ستحتاج الدراسات المستقبلية إلى تقييم جدوى الإنتاج على نطاق واسع، والتكلفة، ومدة الأداء في ظروف متعددة. لكن يبدو أن الاستراتيجية تقدم حلاً عمليًا لتعزيز جزء حساس في الخلايا الشمسية العضوية مع الحفاظ على كفاءتها العالية.