צ'נגדו, סין - 20 באוקטובר 2025- בהישג מוביל לאנרגיה מתחדשת, חוקרים מאוניברסיטת מדע וטכנולוגיה אלקטרונית של סין (UESTC) פיתחו תא סולארי פרוסקיט שהגיע ליעילות המרת הספק מוסמכת של 25.13%. פריצת דרך זו הושגה על ידי שילוב-טיטניום קרביד דו-מימדי, המכונה MXene, כתוסף רב-תכליתי בשכבת האור הפרובסקיט-. חדשנות זו מייצגת צעד משמעותי לא רק בהגברת הביצועים אלא גם בהתמודדות עם האתגרים הקריטיים של יציבות וניהול תרמי שהפריעו באופן היסטורי את ההשקה המסחרית של פוטו-וולטאיות פרוסקיט.
מבנה התא החדש, מפורט במחקר "Multifunctional MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells" שפורסם ב-מאקרו-אותיות מיקרו, כולל מצע של זכוכית ואינדיום תחמוצת בדיל (ITO), שכבת הובלת אלקטרונים העשויה מתחמוצת בדיל (SnO₂), בולם הפרובסקיט המותאם MXene-, שכבת הובלת חורים באמצעות Spiro-OMeTAD ומגע מתכת זהב.
הליבה של התקדמות זו טמונה במאפיינים הייחודיים של MXene. תרכובות אלו, הנקראות על שם המבנה דמוי הגרפן- שלהן, ידועות במוליכות המתכתית יוצאת הדופן שלהן, בניידות גבוהה של נושאי מטען ותכונות פני השטח הניתנות לכיוונון. כאשר גיליונות ננו Ti₃C₂Tₓ MXene מוטמעים בשכבת הפרובסקיט, הם פועלים כרכיב רב-תכליתי המשפר בו זמנית את פיזור החום ואת הביצועים האופטואלקטרוניים.
"קהילת מחקר האנרגיה הסולארית חיפשה חומר שיכול בו-זמנית לייעל את מיצוי המטען, לשפר את היציבות ולעבד בקלות. היתרונות הרב-תכליתיים של MXene מדגישים את הפוטנציאל הגדול שלה לבניית תאים סולאריים פרוסקיט עם לא רק יעילות המרת הספק גבוהה אלא גם יציבות תרמית מעולה", קבע צוות המחקר.
אחת הפונקציות הקריטיות ביותר של תוסף MXene היא תפקידו בניהול תרמי. תחת אור שמש מתמשך, הצטברות חום בתוך תאים סולאריים היא הגורם העיקרי לירידה בביצועים. צוות המחקר הוכיח כי השילוב של ננו-גליונות Ti₃C₂Tₓ יצר מסלולי הולכת חום יעילים בתוך סרט הפרובסקיט. זה הגדיל את המוליכות התרמית של השכבה מ-0.236 W·m⁻¹·K⁻¹ ל-0.413 W·m⁻¹·K⁻¹. כתוצאה מכך, טמפרטורת הפעולה של התא הסולארי בתנאי תאורה סטנדרטיים הופחתה בכ-3 מעלות, מ-42.96 מעלות ל-39.97 מעלות, מה שמפחית באופן משמעותי את השפלה שמקורה בחום.
מעבר לניהול תרמי, גיליונות הננו של MXene סיפקו יתרונות רבים נוספים. הם שימשו כפאסיבים יעילים של פגמים בגבולות התבואה של גבישי הפרובסקיט, והפחיתו את הפסדי הרקומבינציה של המטען. זה הוביל לסרט פרוסקיט אחיד וחלק יותר עם גודל גרגר גדול יותר, כפי שאושר על ידי הפחתה בחספוס הסרט מ-24.9 ננומטר ל-15.2 ננומטר. יתר על כן, סרט הפרובסקיט המותאם הפגין ספיגת אור חזקה יותר באזור הנראה לעין.
ההשפעה המשולבת של שיפורים אלה הביאה לשיא-ביצועי השיא. התקן האלוף השיג יעילות המרת הספק של 25.13%, עלייה משמעותית מהיעילות של 23.70% של תא הייחוס ללא MXene. הוא גם הראה מאפיינים חשמליים מעולים, עם מתח מעגל פתוח- של 1.177 וולט, צפיפות זרם קצר- של 25.29 mA cm⁻² ומקדם מילוי של 84.4% .
אולי חשוב כמו קפיצת היעילות הוא השיפור הניכר ביציבות המכשיר. התא מבוסס MXene- שמר על כ-80% מהיעילות הראשונית שלו לאחר 500 שעות של חשיפה לתנאי טמפרטורה- גבוהים של 85 מעלות ולחות יחסית של כ-30-35%. בבדיקת יציבות שנערכה באווירת חנקן עם מעקב נקודות חשמל מקסימליות, המכשיר שמר על 70% מהיעילות הראשונית שלו לאחר 500 שעות, תוך ביצועים טובים יותר מתא הבקרה, שירד ל-20% מהביצועים המקוריים שלו. יציבות חזקה זו היא אינדיקטור קריטי לפוטנציאל הטכנולוגיה לפעולה לטווח ארוך.
למרות התוצאות המבטיחות, צוות המחקר הודה שנותרו אתגרים בדרך למסחור, הקשורים בעיקר לעלות הגבוהה ולמורכבות של סינתזה של חומרי Ti₃C₂Tₓ. מחקר עתידי יתמקד באופטימיזציה של מסלולי סינתזה כדי להפחית עלויות ולשפר את יכולת השחזור. חקר חומרי MXene חלופיים, כגון Ti₂CTₓ, הוא גם כיוון מפתח לעבודה עתידית.
פריצת דרך זו, שהושגה באמצעות האינטגרציה האסטרטגית של MXene, מאירה עתיד זוהר ויעיל יותר לאנרגיה סולארית. זה מקרב משמעותית את היום שבו-ביצועים גבוהים, עמידים וחסכוניים-פרוסקיטים הופכים למקור מיינסטרים של אנרגיה נקייה.
לגבי האוניברסיטה למדע וטכנולוגיה אלקטרונית של סין (UESTC):
האוניברסיטה למדע וטכנולוגיה אלקטרונית של סין היא-אוניברסיטה לאומית ותיקה הידועה בתוכניות המחקר שלה המתמקדות במדעי אלקטרוניקה ומידע, מדעי החומרים וטכנולוגיות אנרגיה.
