القهوة الشمسية: زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بسبب الكافيين

يبدأ الصباح بجد ، خاصة إذا استيقظت في الساعة الخامسة والنصف. خارج النافذة ، تمطر ، مختبئة تحت المظلات ، وجوه بعض القِرارات التي تعمل ، والبوم تعود إلى المنزل بخطوات محسوبة. المنبه ، كونه حثالة بطبيعته ، يستمر بدقة متأصلة في الرنين للمرة الثالثة. ولسبب ما ، يبدو أنه يفعل ذلك بتهيج وتوبيخ. عند ملاحظة إشارة الساعة الثالثة من لعبة Game of Thrones ، ستحتاج إلى الخروج من السرير في المكالمة الثالثة ، مثل المشي الأبيض ، تجول نحو المطبخ. غلاية ، كوب ، سكر ، قهوة. هذا كل شيء ، بدأ الصباح رسميا.

هذا المقال القصير ينقل بوضوح الروتين الصباحي للكثيرين منا. والسمة الرئيسية لها هي القهوة ، والتي بدونها يكون من الصعب في بعض الأحيان تذكر وجود المخ في الجمجمة. تأثير تنشيط القهوة هو نتيجة للتأثير النفسي للكافيين. ما أتحدث عنه ، قررت مجموعة من العلماء ، من أجل المتعة ، استخدام الكافيين لتحسين الخلايا الضوئية. وكما نعلم ، في كل نكتة هناك بعض الحقيقة ، لأن هذه الفكرة المضحكة أعطت نتائج مذهلة في الممارسة. كيف تم تطبيق الكافيين في الخلايا الضوئية ، ما هي المؤشرات التي يمكن تحسينها ، وما مقدار هذا التحسن الذي يبرره؟ سوف نجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها (لا ، ليس في القهوة) في تقرير للعلماء. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

كما ذكرت سابقًا ، نشأت هذه الدراسة بالفعل على أنها مزحة على فنجان قهوة الصباح في كافيتيريا المختبر. ومع ذلك ، لن يكون العلماء علماء إذا لم يحاولوا تنفيذ شيء من هذا القبيل ، وإن كان سخيفًا للوهلة الأولى.

بالإضافة إلى الكافيين ، لم يكن التجريبي الرئيسي هو خلية ضوئية بسيطة ، ولكن بيروفسكايت.

Photocell * هو جهاز إلكتروني لتحويل طاقة الفوتون (ضوء الشمس) إلى طاقة كهربائية.

Perovskite * هو معدن نادر من تيتانات الكالسيوم (CaTiO ₃ ).

تعتمد الخلية الكهروضوئية من بيروفسكايت على مواد من هجين عضوي غير عضوي من هاليد بيروفسكايت (يشار إليه فيما يلي باسم PVSK ). تعد PVSK طفرة حقيقية في الطاقة الشمسية ، وهو ما تؤكده إحصاءات الاستخدام: 3.8 ٪ في عام 2009 و 23.3 ٪ في نهاية عام 2018. ومع ذلك ، ابتهج بنجاح هذه المادة حتى الآن فقط في ظروف المختبر ، لأن مشاكل الاستقرار على المدى الطويل لا تسمح باستخدامها في الإنتاج التجاري للخلايا الشمسية. على سبيل المثال ، لا يمكن أن تعمل PVSKs القائمة على السيزيوم (Cs) و formamidinium (FA) ، المشهور في البحث ، بشكل طبيعي في درجة حرارة الغرفة من حيث الخصائص الديناميكية الحرارية. ولكن يمكن أن الميثيل الأمونيوم (PV) على أساس PVSK.

ولكن هذا ليس بهذه البساطة: إن الكاتيون العضوي MA PVSK متقلب ، مما يؤدي إلى التحلل السريع لـ PVSK وهطول الأمطار من يوديد الرصاص الثلاثي (PbI ₂ ) في درجات حرارة مرتفعة.

هناك أيضًا مشكلة في الأيونات داخل PVSK. يعطي الباحثون مثالًا حيًا: يمكن للأيونات أن تمر بسهولة عبر الحبوب متعددة البلورات من PVSK وتتجاوز طبقة PVSK ، ثم تعمل على قطب كهربائي تحت تأثير الطاقة الحرارية. هذا يسبب عيوب في شكل مقاطع من إعادة التركيب غير الإشعاعي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي حبيبات PVSK الموجهة بشكل عشوائي إلى نقل شحنة ضعيف في الاتجاه الرأسي ، وهذا نتيجة لعملية النمو السريع وغير المنضبط لفيلم PVSK.

وفقًا للعلماء ، كانت الغالبية العظمى من العمل على تحسين أداء الخلايا الشمسية المستندة إلى PVSK موجهة نحو الأجهزة نفسها ، وهندستها المعمارية والتحسينات الهيكلية ، وليس إلى PVSK.

في نفس الدراسة ، طبق العلماء 1،3،7-تريميثيل-زانثين ، وهو اسم علمي خيالي للكافيين (بنية لويس ونموذج ثلاثي الأبعاد 1A أدناه) على PVSK على أساس ميثيل الأمونيوم (MA). باستخدام مجموعات الكربوكسيل في ظل ظروف كيميائية مختلفة ، أصبح الكافيين نوعًا من "البوابة الجزيئية" التي تتفاعل مع ^أيونات Pb ²⁺ ، مما يؤدي إلى إبطاء نمو بلورات PVSK. بالإضافة إلى ذلك ، كان من الممكن تحقيق الاتجاه المطلوب من خلال زيادة طاقة التنشيط.

نتيجة لذلك ، كان من الممكن تحقيق بلورة ممتازة لأفلام PVSK المحتوية على الكافيين وكثافة أقل للعيوب ، وكذلك نقل شحنة رأسية أفضل. وكان معامل الأداء الذي تم الحصول عليه (COP) لا يمكن تصوره سابقًا لهذه التقنية 20.25٪. بالنسبة للاستقرار الحراري للجهاز ، تمكن العلماء من تحقيق الاستقرار عند درجة حرارة 85 درجة مئوية لأكثر من 1300 ساعة.

هذه نتائج ممتازة حقًا ، لا سيما بالنظر إلى الجذور الهزلية لهذه الدراسة. الآن دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما وكيف عملت.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

يوضح الشكل 1B نتائج التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء مع تحويل فورييه للكافيين (الخط الأزرق) ، MAPbI ₃ (الخط الأسود) و MAPbI ₃ مع الكافيين (الخط الأحمر). تظهر الاهتزازات الممتدة المتعلقة بسنتين C = O في الكافيين النقي عند 1.652 سم ^-1 و 1699 سم ^-1 . عندما تمت إضافة مادة الكافيين إلى فيلم MAPbI ₃ ، لوحظ تحول تمدد C = O بتردد أقل من 1.652 إلى 1.657 سم ^-1 ، بينما يحتفظ الوضع الاهتزازي C = O بمقدار 1.699 سم ^-1 بقيمته الأصلية. هذا مؤشر على أن الكافيين موجود في فيلم MAPbI ₃ بعد الصلب ، وربما يكون قد شكل علاقة مع MAPbI _{3 من} خلال التفاعل بين Pb ²⁺ في PVSK وواحد من روابط C = O في الكافيين.

للتأكيد بشكل أكبر على تأثير الكافيين على PVSK ، أجرى العلماء التحليل الطيفي لمقياس PbI ₂ -MAI-DMSO-caffeine ، والذي أظهر أيضًا تحولًا للإزاحة C = O من 1652 إلى 1643 سم ^-1 ( 1C ).

تؤكد هذه الملاحظات أن التفاعل بين C = O في ^أيونات الكافيين و Pb ²⁺ يشكل بوابة جزيئية تزيد من طاقة التنشيط. وهذا بدوره يبطئ عملية نمو بلورات PVSK ، مما يحسن التبلور الكلي لأفلام PVSK. بالإضافة إلى ذلك ، قد تتفاعل هذه البوابة الجزيئية مع PVSK غير المشفرة عند التسخين ، والتي يمكن أن تمنع التحلل الحراري.


الصورة رقم 2

الصورة 2A هي صورة SEM مستعرضة لفيلم الكافيين PVSK. تم إجراء تغييرات في توهين اللمعان الثابت ( 2B ) واللمعان الضوئي ( 2C ) لحل الوقت لدراسة جودة الفيلم وديناميكيات إعادة التركيب. كانت كثافة التلألؤ الضوئي لفيلم PVSK المحتوي على الكافيين (خطوط سوداء) أعلى بستة أضعاف من الأفلام الخالية من الكافيين (الخطوط الحمراء). ولوحظ أيضًا تحول أزرق من 770 إلى 763 نانومتر ، مما يؤكد مرة أخرى انخفاض عدد العيوب أثناء دمج الكافيين في بنية فيلم PVSK.

بعد ذلك ، تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية لدراسة التركيب البلوري لفيلم PVSK المودع على ركيزة من الإنديوم وأكسيد القصدير ( 2D ). وبالنسبة للأفلام التي تحتوي على الكافيين وبدونه ، لم يتم العثور على ذروة الانعراج عند 12.5 ، وهو ما يتوافق مع (001) طائرات سداسية PbI ₂ . أظهر كلا الفيلمين نفس مرحلة PVSK الرباعية مع انعكاس سائد (110) للشبكة في 13.9 ، وهو اتجاه ممتاز لأفلام PVSK المدروسة. زادت نسبة كثافة الذروة (110) عند 13.9 إلى ذروة الشدة (222) عند 31.8 من 2.00 إلى 2.43 عند إضافة الكافيين. يشير هذا إلى نمو أسرع لـ (110) حبيبات تمتص الحبوب ذات الاتجاه العشوائي.

تم قياس أحجام الحبوب أيضًا باستخدام صيغة Scherrer ونصف عرض الذروة (110). مع إدخال الكافيين ، زاد حجم الحبوب من 37.97 إلى 55.99 نانومتر.

يُظهر الشكل 2E رسمًا بيانيًا للزاوية الطبيعية السمتية على طول المستوى (110) من أفلام MAPbI ₃ بدون الكافيين (الخط الأحمر) ومع الكافيين (الخط الأسود). بزاوية 90 درجة ، يظهر فيلم يحتوي على مادة الكافيين ذروة واضحة إلى حد ما بالمقارنة مع الأسير منزوعة الكافيين. يشير نصف العرض الأضيق إلى أن الكافيين ساهم في نمو حبيبات PVSK على طول الطائرة ، مما يحسن نقل الشحنة.

ثم أجرى العلماء تحليلًا للتيار الكهروضوئي العابر ( TPC ) والجهد الكهروضوئي العابر ( TPV ).

تم صنع الخلايا الكهروضوئية التجريبية مع الأخذ في الاعتبار بنية مستو ارتشف ، وأكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بمثابة الأنود. في المقابل ، استخدمت جسيمات أكسيد القصدير النانوية كطبقة نقل الإلكترون. كان كل من MAPbI ₃ النقي و MAPbI ₃ المحتوي على الكافيين بمثابة طبقة نشطة. تم لعب دور طبقة نقل الفتحة (جسيمات شبه ذات شحنة موجبة) بواسطة poly [bis (4-phenyl) (2،4،6-ثلاثي ميثيل فينيل) أمين] ([C ₆ H ₄ N (C ₆ H ₂ (CH ₃ ) ₃ ) C ₆ H ₄ ] _ن ) مخدر مع بورات 4-إيزوبروبيل-40-ميثيل ثنائي الفينيل يودونيوم (خماسي فلوروفينيل) (C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I). تم استخدام الفضة (Ag) للكاثود.


الصورة رقم 3

تُظهر الصورة 3A منحنيات JV (الكثافة الحالية ، mA / cm ² ) للأجهزة المعتمدة على MAPbI ₃ و MAPbI ₃ / الكافيين الذي تم الحصول عليه باستخدام الشمس الاصطناعية AM1.5G بكثافة 100 mW / cm ² . تراوحت نسبة الكافيين المندمجة في النظام من 0 إلى 2٪ من إجمالي الكتلة.

أدت الزيادة في كمية الكافيين التي تم إدخالها إلى 1٪ إلى زيادة في بعض الخصائص ، وهي: جهد الدائرة المفتوحة (V _oc ) ، تيار الدائرة القصيرة (J _sc ) ، دورة التشغيل (FF) ، والتكاثر.

كان الحد الأقصى للكفاءة (PCE في الجدول أدناه) من MAPBI ₃ النقي (خالٍ من الكافيين) 17.59٪ (V _oc : 1.074 V ، J _sc : 22.29 mA / cm ² ، FF: 73.46٪). ولكن عندما يكون هناك 1 ٪ من الكافيين في النظام ، ارتفع مؤشر الكفاءة إلى 20.25 ٪ (V _oc : 1.143 V ، J _sc : 22.97 مللي أمبير / سم ² ، FF: 77.13 ٪).

يعزو العلماء الزيادة في V _oc و FF إلى انخفاض في إعادة التركيب غير الإشعاعي والعيوب البلورية ، والتي هي نتيجة التخميل بسبب دمج الكافيين في النظام. زادت المعلمة J _Sc أيضًا من 22.29 إلى 22.97 مللي أمبير / سم ² (الرسم البياني 3B ).

لإجراء دراسة أكثر تفصيلاً عن تأثير الكافيين على أداء النظام ، أجرى العلماء تحليلًا مقارنًا لحركية نقل الشحنة وإعادة تركيب الخلايا الشمسية مع وبدون الكافيين. أظهر التحليل ( 3C ) أن عمر إعادة التركيب المسؤول (t _r ) لجهاز يحتوي على مادة الكافيين (285 مللي ثانية) كان أطول بكثير من بدون الكافيين (157 مللي ثانية). ويترتب على ذلك أن تركيز العيوب أقل بكثير. في هذه الحالة ، انخفض وقت نقل الشحن (t _t ) عند إضافة الكافيين إلى الجهاز من 2.67 إلى 2.08 مللي ثانية.


جدول المؤشرات حسب تركيز الكافيين.

من أجل تأكيد تأثير مصراع الجزيئي للكافيين في الخلايا الشمسية أثناء عملية التحلل الحراري ، أجرى العلماء اختبار لمقاومة الأحمال الحرارية الثابتة: 85 درجة مئوية في وسط النيتروجين.

أظهر الجهاز المحتوي على الكافيين ثباتًا حراريًا ممتازًا ، حيث احتفظ بنسبة 86٪ من الكفاءة الأصلية بعد الساعة 1300. لكن الجهاز منزوع الكافيين تحت نفس الظروف احتفظ بنسبة 60 ٪ فقط من الكفاءة الأولية. يعزو العلماء ذلك إلى الهجرة الأيونية ، وضعف التبلور ، وعدم استقرار الطور لـ MAPbI ₃ النقي في درجات حرارة عالية.


الصورة رقم 4

كان على العلماء أن يفهموا بمزيد من التفصيل تأثير الكافيين على عمل الخلايا الشمسية من حيث هجرة الأيونات وتحلل الطور. لهذا ، تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية ( 4B ) للأجهزة بعد اختبارات الثبات الحراري.

أظهر الجهاز الخالي من الكافيين ذروة كبيرة إلى حد ما عند 12.5 ، المرتبطة بالطائرة (001) من سداسية PbI ₂ . الانعكاس الضعيف جدًا عند 13.9 يعني تدهورًا تامًا لبلورة PVSK. ولكن لوحظ حيود قوي نسبيا من 38.5 نسبة إلى الطائرة (003) من PbI ₂ .

كما ذكرنا سابقًا ، يجب أن تمنع تبلور PVSK الجيد جدًا بسبب إضافة الكافيين من هجرة الأيونات أثناء التدفئة. أجري التحليل الحراري لقياس الكافيين والسلوك لإثبات استقرار الطور والخصائص الحرارية للكافيين والمرحلة الوسيطة في التقريب. توضح الرسوم البيانية 4C و 4D فقد الكتلة وتدفق حرارة الكافيين و PVSK النقي و PVSK + الكافيين.

أظهر التحليل أن الكافيين يتحلل تمامًا عند درجة حرارة حوالي 285 درجة مئوية ، في حين أظهر استقرارًا حراريًا ممتازًا عند درجات حرارة أقل من 200 درجة مئوية. على الرسم البياني 4C يمكننا أن نرى ثلاث مراحل لفقدان كتلة PVSK النقي: 70 درجة مئوية ، 340 درجة مئوية و 460 درجة مئوية. هذا بسبب تسامي DMSO و MAI و PbI ₂ على التوالي. كانت درجة حرارة تسام MAI و PbI ₂ للكافيين PVSK + أعلى بكثير ، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من الطاقة لكسر الرابطة بين الكافيين و PVSK. ويدعم هذا البيان من خلال تحليل تدفقات الحرارة ( 4D ). وبالتالي ، فإن الرابطة بين الكافيين و PVSK تشكل بوابة جزيئية ، مما يزيد من معدل طاقة تنشيط التسوس المطلوبة أثناء التدفئة.

للتعرف أكثر تفصيلًا على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء والمواد الإضافية إليه.

خاتمة

أظهرت هذه الدراسة أن إدخال مادة الكافيين في مواد PVSK يسمح بالحصول على خلايا كهروضوئية ذات كفاءة عالية ، ويقلل من هجرة الأيونات ، ويقلل من عدد العيوب ويعزز الاستقرار الحراري. بدأ استخدام مواد PVSK منذ وقت ليس ببعيد ، ولكنه يعتبر بالفعل أكثر فروع الطاقة الشمسية واعدة. وهذا يعني أنه من الضروري تحسين جميع جوانب هذه التكنولوجيا إذا أردنا الحصول على أجهزة ذات أداء عالٍ بتكلفة منخفضة. هذا العمل يتعلق فقط بالأبحاث التي تهدف بالتحديد إلى هذا.

استخدام الكافيين في تطوير الخلايا الشمسية يشبه النكتة ، كان مزحة على فنجان قهوة في الصباح في المختبر. لكن النكات سيئة لدى العلماء ، وأي فكرة ، حتى أغرب فكرة ، يمكن أن تعطي نتيجة ممتازة إذا طبقت المعرفة والإبداع ونهجًا إبداعيًا قليلًا.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟