
الحديد بيريت والخلايا الشمسية
في حين أن السيليكون هو إلى حد بعيد وبعيدا الشركة الرائدة في السوق لمواد أشباه الموصلات في الخلايا الشمسية، كان هناك الكثير من النقاش على مر السنين حول فائدة
البيريت الحديد
في الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء بسبب خصائصه الكهروضوئية الضوئية جذابة وطبيعتها غير مكلفة.
نظرة عامة على توليد الطاقة الشمسية
بشكل عام ، توليد الطاقة الشمسية هو عندما يتم إنتاج الكهرباء عن طريق الشمس مشرقة على مادة محددة. في مزيد من التفاصيل ، وتستخدم مواد أشباه الموصلات في الألواح الشمسية. عندما يضرب الإشعاع الشمسي هذه الألواح ، يتم امتصاص الفوتونات بواسطة مادة أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى ارتفاع الإلكترونات إلى حالة طاقة أعلى. قد يرتاح الإلكترون ويعود إلى حالته الأصلية للطاقة (مع فقدان الحرارة المرتبط به) ، أو قد ينتقل عبر الخلية الشمسية إلى قطب كهربائي ، حيث يتم توليد تيار. تعتمد كفاءة الخلايا الشمسية على عدة جوانب، والتي تشمل:
- المواد التي تتألف منها وجود مناسبة (أي منخفضة) bandgaps ، وهذا يعني أقل من الطاقة المطلوبة ل'إثارة' الإلكترون
- مقبول الإلكترون عالي الكفاءة ، مثال نموذجي هو ثاني أكسيد التيتانيوم
- ثقب قوي ومنتج نقل المواد، والتي هي المسؤولة عن حركة الإلكترونات إلى القطب وفصل وتثبيط تهمة - وهذا هو الدور الذي يعمل عادة في بيريت
- ترسب / إنتاج الفيلم يجري عملية فعالة مع أقل عدد ممكن من العيوب
أشباه الموصلات الأكثر استخداما في الألواح الشمسية هو السيليكون، ولكن السيليكون عالي النقاء مكلف لإنتاج خاصة على النطاق اللازم لإنتاج مجموعة شمسية بالنظر إلى طبقات السيليكون تحتاج إلى أن تكون سميكة نسبيا. البيريت هو المادة التي وجدت نجاحات مزدهرة في التجارب البحثية في الفضاء توليد الطاقة الشمسية. غير مكلفة، ومتاحة على نطاق واسع وبطبيعة الحال نقية للغاية مباشرة من الأرض، وقد لوحظ خصائص مثيرة للاهتمام مثل أشباه الموصلات.

بيريت المواد
الحديد بيريت (الحديد (2) ثاني كبريتيد، فيس2) هو كبريتيد على نطاق واسع وبطبيعة الحال من الحديد. تم العثور على البيريت في طبقات الكوارتز، في الصخور الرسوبية والمتحولة، وغالبا بجانب رواسب الفحم. العديد من استخداماتها
الصناعية
والعلمية تنبع من نقاوتها الطبيعية العالية ، صلابة معتدلة وسهولة للعمل معها.
بشكل حاسم للتطبيقات الشمسية، البيريت له خصائص كيميائية وإليكترونية مناسبة. FeS2 لديه bandgap غير مباشر من كاليفورنيا. 0.95 eV، وهو شكل نطاقي مباشر من 1.05-1.10 eV، وهو مشابه للسيليكون (1.10 eV)، ومعامل امتصاص شمسي أكبر بمقياسين من السيليكون (1). وعلاوة على ذلك، فإن هذا الامتصاص يتجاوز نطاقا واسعا من الطيف الكهرومغناطيسي، من الأشعة تحت الحمراء القريبة على طول الطريق عبر طيف الضوء المرئي(2). يساهم هذا الاتساع في حقيقة أنه يمكن استخدام طبقات أرق من البيريت مقارنة بالسيليكون.


بيريت في الخلايا الشمسية
العديد من المنشآت الخلايا الشمسية أعلى أداء هي عندما يتم استخدام البيريت جنبا إلى جنب مع أشباه الموصلات الأخرى. استخدام البيريت قد يعزز خصائص إنتاج الكهرباء من لوحة، أو أنه قد يقلل من تكلفة التصنيع، أو في كثير من الأحيان على حد سواء. وعلى الرغم من ذلك، فقد ثبت أن البيريت فعال كخلية كهيكتروكيميائية ضوئية في حد ذاتها. نشر البحث الأول في المنطقة في عام 1984 (3)، ولكن الخلية الشمسية البيريت كان لها كفاءة فقط من كاليفورنيا. 2.8%.
أجهزة كريستال واحدة
استخدام البيريت وحده لإنتاج خلية شمسية محدود النطاق. أعلى مستويات الكفاءة التي وجدها الباحثون للبيريت وحيد هي 2٪(4). على الرغم من أنه يمكن إيداع البيريت في فيلم أرق 1000 مرة من فيلم من السيليكون ولا يزال يمتص أشعة الشمس ، فقد أظهرت الأبحاث أنه على نطاق النانو ، يمكن أن تحدث عيوب سطحية صغيرة في ترسب البيريت ، حيث تكون بعض ذرات الكبريت "مفقودة" (5).
يخضع أداء الخلايا الشمسية المكونة من البيريت لبحوث مستمرة. وتشير الدراسات إلى أن العامل الرئيسي المقيد هو "الشواغر الكبريتية"، حيث توجد ذرات الكبريت المفقودة في البنية البلورية للأفلام المنتجة لتصنيع الخلايا(6). ويعتبر هذا أقل من مشكلة عندما لا يتم استخدام البيريت من تلقاء نفسها.
الخلايا الشمسية بيروفسكيت
الخلية الشمسية perovskite هي خلية حيث امتصاص الضوء الأساسي هو مادة مع طبقة بيوروفسكيت منظم، مثل هاليدس القصدير. في الخلايا الشمسية من نوع بيروفسكيت، استخدمت صفائح البيريت كمواد نقل حفرة. بيريت بارعون بشكل خاص في هذه الوظيفة ، مع بعض الأبحاث التي تبلغ عن كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 11.2٪ حيث يكون perovskite هو أشباه الموصلات الجوهري ، وثاني أكسيد التيتانيوم هو مقبول الإلكترون والبيريت ناقل الثقب (7). وادعى التقرير نفسه أن إنتاج فيلم بيريت لكل متر مربع أرخص ب 300 مرة من مواد نقل الثقوب الأخرى مثل بوليمر البولي ترياريلامين. وعلاوة على ذلك، تتطلب مواد النقل التقليدية من الحفرة تعاطي المنشطات الكيميائية لضمان مستويات الموصلية الكافية والإمكانات الأيونية المثلى (8) - لا يلزم تعاطي المنشطات للبيريت.
وقد أظهرت الأبحاث استقرار البيريت على المدى الطويل كمواد نقل حفرة، حيث أظهرت إحدى الدراسات كفاءة تحويل الطاقة الأولية لخلايا البيريت/بيروفسكيت بنسبة 12.8٪، حيث انخفضت بنسبة 8٪ فقط بعد 1000 ساعة في الظروف المختبرية(9). ويمكن الحصول على الجسيمات النانوية البيريتية لهذه الأغراض من المعالجة الحرارية المائية بمساعدة الميكروويف للبيريت بنقاء عال(10).
مجموعة فرعية من خلايا بيروفسكيت، خلايا التغاير غالبا ما تستخدم مركبات الكادميوم. كبريتيد الكادميوم هو أشباه الموصلات عالية الأداء ويمكن بناؤها في خلية شمسية كفيلم جنبا إلى جنب مع بيريت (11) ، على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال في المراحل المبكرة من التطوير. يستخدم البيريت بهذا المعنى كطبقة امتصاص شمسية في خلية التغاير - معتمدا على الامتصاص البصري المتفوق للبيريت وخصائص الاستجابة للصور. تحت ضوء النهار محاكاة، تم توليد 94 mV من الكهرباء في كثافة الحالية من 0.4 mA/cm 2 - علىالرغم من انخفاض الأرقام، فمن الواضح من إمكانات البيريت كما امتصاص الطاقة الشمسية (12)، حتى مع أفلام رقيقة مثل 100 نانومتر. وقد لوحظت بيانات مماثلة لخلايا البيريجونات البيريت الكادميوم-الحديد البيريت(13)، ومرة أخرى مع البيريت الحديد كما الناقل حفرة.
وقد تم الإبلاغ عن كفاءات الطاقة الشمسية من 13.3٪ حيث تم إيداع البيريت (كوسيط نقل حفرة) كفيلم رقيقة جنبا إلى جنب مع كبريتيد الكادميوم / الكادميوم تيلورايد في خلية perovskite (14)، وهنا، يتم استخدام أفلام البيريت في سمك 1 ميكرومتر وذلك لتجنب أي قضايا ذات الصلة المسامية الفيلم. أحد الأسباب العديدة، وقد أفيد، أن الأفلام البيريت رقيقة تتصرف بشكل جيد جدا وسيلة النقل حفرة هو أن لديهم كثافة ثقب حر عالية ووظيفة عمل عميق نسبيا حول 5 eV(15).


صبغ الخلايا الشمسية الحسية (DSSC)
DSSCs هي فئة أخرى من الخلايا الشمسية التي ثبت أنها تستفيد من إدراج البيريت الحديدي في تصنيعها. DSSCs هي خلايا شمسية حيث تقع أشباه الموصلات بين أنود حساس للضوء والكهارل (16). وقد تم تطوير مثل هذه الخلايا رقيقة الفيلم منذ أوائل 1990s. لأغراض هذا العمل ، هوية "صبغة" غير ذي صلة إلى حد كبير. أحد أسباب ارتفاع تكلفة هذه الخلايا هو الأقطاب البلاتينية التي تستخدم. الأبحاث الحديثة يستبدل البلاتين مع البيريت، وليس فقط يقلل منتكلفة التصنيع ولكن يعرض كفاءة التحويل من 7.27٪ تحت مصباح 100 كيلوواط/سم 2(17). وتعتبر كفاءة الكم عالية بيريت (18) والاستقرار على المدى الطويل في الكهارل السائل يوديد DSSC تآكل(19) كعوامل مساهمة قيمة. ويستند هذا العمل إلى استخدام خلايا أكسدة اليود/الكوبالت الهجينة ذات فيلم بيريت حديدي كقطب كهربائي مضاد (20).
فئة فرعية من DSSC هو المكان الذي يكون فيه البيريت في شكل جسيمات نانوية ومغلف بطبقة رقيقة من الكربون قبل تحويله إلى فيلم ، والذي يعمل كقطب مضاد جنبا إلى جنب مع المنحل بالكهرباء الأكسدة ، وهي مادة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم كمقبول الإلكترون الأساسي ، ويتم تجميعها جميعا فوق ركيزة مثل أكسيد القصدير المفلور. تستخدم هذه الهياكل البيريت بطريقة مختلفة عن أشكال الورقة كما رأينا في أنواع الخلايا الأخرى ، أي المغلفة بالكربون ، ولكن بيانات الكفاءة المبلغ عنها جيدة كما لو كان القطب المضاد هو البلاتين التقليدي (21). واحدة من مزايا DSSCs في إنتاجها على لفة - وهو متعدد التي تناسب أوراق البيريت بشكل جيد - وهذا يعني أن الخلية الشمسية المنتجة رقيقة ومرنة بشكل لا يصدق.
موجز
- البيريت هو كبريتيد نقي للغاية يحدث بشكل طبيعي من الحديد مع خصائص كيميائية وإكترونية مثيرة للاهتمام يمكن أن تكون مناسبة لإنتاج الطاقة الشمسية
- كخلية شمسية بلورية واحدة، أظهرت الأبحاث المبكرة كفاءة منخفضة في توليد الطاقة الشمسية
- عندما تستخدم في خلية شمسية perovskite، بيريت يأتي في حد ذاته كوسيلة نقل حفرة عالية الكفاءة - مع كفاءة الطاقة الشمسية تصل إلى 13.3٪. في مجموعة الترجونكشن ، يستخدم البيريت أيضا كممتص شمسي
- في الخلايا الشمسية الصبغية ، يمكن استخدام البيريت بشكل فعال لاستبدال البلاتين في القطب الكهربائي (العداد)
- انخفاض تكلفة الإنتاج مع المزيد من البيريت مقارنة بالسيليكون - مما يمهد الطريق لمستقبل أكثر استدامة

مراجع
1 م. القانون وآخرون. ج. الكيمياء. شركه نفط الجنوب., 2010, 133, 716
2 ح. تريبوتش وآخرون، سول. طاقة. الام. سول. خلايا, 1993, 29, 189
3 أ. عناوي وه، تريبوتش، سول. خلايا 1984, 13, 197
4 جيم وادية وآخرون، إنف، الخيال العلمي. التكنولوجيا., 2009, 43, 2072
5 س. جين وآخرون. ج. الكيمياء. شركه نفط الجنوب., 2014, 136, 17163
6 م. ز. رحمن وت. إدفينسون، جول، 2019، 3، 2290
7 أ. ج. هاكابا وآخرون، الكيمياء. اختار, 2016, 1, 5316
8 ب. غاو وآخرون، ظ. (إنرج) حصيره., 2018, 8, 1702512
9 ب. كو وآخرون، ظ. (بائد) الام., 2016, 26, 5400
10 ر. هينريكيز وآخرون، فيسيكا E: منخفضة ديمنز. (سيست) نانوستر.، 2020، 118. 113811
11 ت. سريثاران وآخرون، (إنرج) التكنولوجيا., 2018, 6, 8
12 Q. Xiong وآخرون, ACS Nano, 2016, 10, 4431
13 ر. ج. إلنغسون وآخرون، (ج. ماتر) الكيمياء. علي, 2015, 3, 6853
14 ر. ج. إلنغسون وآخرون، سول. طاقة. الام. سول. خلايا, 2017, 163, 277
15 ر. ج. إلنغسون وآخرون، سول. طاقة. الام. سول. خلايا, 2015, 140, 108
16 م. غراتزل، ج. فوتوهيم. فوتوبيول. C, 2003, 4, 153
17 س. ب. موكور وآخرون، الخيال العلمي. النائب., 2016, 6, 27052
18 س. يتاي وآخرون، الام. ليت., 2001, 48, 109
19 إ. ف. شافتشنكو وآخرون، الكيمياء. القس., 2010, 110, 389
20 Q. شيونغ وآخرون, ACS Nano, 2014, 8, 10597
21 جيم بارك وآخرون. الخيال العلمي: ماتر. إلكترونيات, 2019, 30, 19752
يجب عليك تسجيل الدخول لكتابة تعليق.