الصمامات الضوئية والليزر – الفهم الجديد للبيروفسكايت قد يغيّر مقاييس الأداء

يُغوص العلماء بعمق أكبر في البيروفسكايت لفهم هذه المادة بشكل أفضل، التي لها تطبيقات واسعة تشمل الإلكترونيات، وتخزين الطاقة، والليزر، والضوئيات، وأجهزة استشعار الجلوكوز، وغيرها. لكن ما هي بالضبط؟

البيروفسكايت هو معدن طبيعي يتكون من الكالسيوم والتيتانيوم والأكسجين ويملك بنية بلورية CaTiO₃ أو الصيغة ABX3. تم اكتشافه لأول مرة عام 1839 في روسيا. تُعرف فئة من المواد التي لها نفس البنية البلورية كالمعدن البيروفسكايت أيضًا بمواد البيروفسكايت.

المصدر: Fabre Minerals

الخصائص الفيزيائية الاستثنائية مثل السلوك الفيروكهربي، العازل، البيزوإلكتريكي، والبيورإلكتريكي، بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية التي تشمل النشاط التحفيزي وقدرة نقل الأكسجين للبيروفسكايت، تجعلها واحدة من أهم فئات البنى في علم المواد. وهذا يجعلها مرشحًا محتملًا لتطبيقات في خلايا الوقود، وأجهزة الذاكرة، والفوتوفولطية.

يمكن أيضًا استخدامها في الخلايا الشمسية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، وكذلك للحصول على طاقة نظيفة وتحليل الملوثات العضوية.

نظرًا لتعدد الصناعات التي يمكن أن يساعد فيها البيروفسكايت، فمن المنطقي أن العلماء يسعون لفهمه بشكل أعمق.

انقر هنا لتعلم كل شيء عن المواد البيزوإلكتريكية.

فهم البيروفسكايت على المستوى الذري للتحكم الأفضل

اكتشف الباحثون من جامعة ولاية كارولينا الشمالية، بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم، طريقة لإنشاء بيروفسكايت هجين طبقي (LHPs) من خلال دراستها على المستوى الجزيئي.

يسمح هذا الاختراق بتحكم غير مسبوق في خصائص الإضاءة للـ LHPs ويمكن أن يؤدي إلى تقدمات كبيرة في تقنيات الليزر والصمامات الضوئية. كما يحمل وعدًا لهندسة مواد أخرى لاستخدامها في الأجهزة الفوتوفولطية.

وفقًا للبحث، برزت البيروفسكايت الهجينة الطبقية (LHPs) كأشباه موصلات واعدة لتطبيقات الطاقة والضوء من الجيل القادم. هنا، التحكم في توزيع وحجم وتوجيه الآبار الكمومية (QWs) أمر بالغ الأهمية.

تتكون الـ LHPs من أوراق رقيقة جدًا من مادة شبه موصل البيروفسكايت. تُفصل هذه الأوراق عن بعضها بطبقات رقيقة من “الفواصل” العضوية.

نظرًا لأن هذه الأفلام الرقيقة المكوّنة من عدة أوراق من البيروفسكايت وطبقات الفواصل يمكنها تحويل الشحنة الكهربائية إلى ضوء بكفاءة، فقد حظيت الـ LHPs باهتمام كبير من مجتمع البحث لسنوات. ومع ذلك، لا يزال الفهم محدودًا حول كيفية هندستها للتحكم في خصائص الأداء.

لفهمها، يجب أن نبدأ بالآبار الكمومية، وهي أوراق من مادة شبه موصل محشوة بين طبقات ‘الفواصل’.

هذه هي الطبقات التي تتشكل في الـ LHPs. والآبار الكمومية بسماكة ذرتين تمتلك طاقة أعلى من تلك التي بسماكة خمس ذرات.

نظرًا لأن الطاقة تتدفق من الهياكل ذات الطاقة العالية إلى الهياكل ذات الطاقة المنخفضة على المستوى الجزيئي، نحتاج إلى آبار كمومية بسماكة ثلاثة وأربعة ذرات بين الآبار ذات السماكة ذرتين وخمس ذرات، مما يسمح بتدفق الطاقة بكفاءة.

“أنت أساسًا تريد وجود منحدر تدريجي يمكن للطاقة أن تتدفق من خلاله.”

– كنان غوندوغدو، المؤلف المشارك للورقة وأستاذ الفيزياء في جامعة ولاية كارولينا الشمالية

مع ذلك، استمر الباحثون في مواجهة شذوذ عند دراسة الـ LHPs. الشذوذ هو توزيع أحجام الآبار الكمومية في عينة الـ LHP التي تُلاحظ عبر حيود الأشعة السينية، وهو مختلف عما يُكتشف باستخدام التحليل الطيفي الضوئي.

آرام أماسيان، المؤلف المراسل للورقة وأستاذ علوم المواد والهندسة في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، أوضح كيف يمكن للحيود أن يشير إلى أن الآبار الكمومية ذات سماكة ذرتين وتشكل جزءًا من بلورة ثلاثية الأبعاد. في حين أن التحليل الطيفي يمكن أن يكشف أن الآبار الكمومية ذات سماكة ذرتين وثلاثة وأربعة، بالإضافة إلى وجود الطور الثلاثي الأبعاد.

لذا، سعى الفريق للبحث عن إجابات: لماذا هناك هذا الانفصال بين الطريقتين، وكيف يمكن التحكم في حجم وتوزيع الآبار الكمومية في الـ LHPs؟

من خلال التجارب، اكتشف الفريق أن النانوبلايتلات (NPLs) هي العنصر الرئيسي. النانوبلايتلات هي أوراق فردية من مادة البيروفسكايت تتشكل تلقائيًا على سطح المحلول الذي استخدمه الباحثون لإنشاء الـ LHPs.

“وجدنا أن هذه النانوبلايتلات تعمل أساسًا كقوالب للمواد الطبقية التي تتشكل تحتها،” قال أماسيان، مشيرًا إلى أن السماكة الذرية للنانوبلايتلات تحدد سماكة الـ LHP تحتها.

مع ذلك، النانوبلايتلات غير مستقرة، وتستمر سماكتها في النمو، مضيفة طبقات جديدة من الذرات مع مرور الوقت.

“في النهاية، تنمو النانوبلايتلة لتصبح سميكة لدرجة أنها تتحول إلى بلورة ثلاثية الأبعاد.”

– أماسيان

إذن، كان الشذوذ ناتجًا عن أن الحيود يكتشف تكدس الأوراق لكنه لا يكتشف النانوبلايتلات، بينما التحليل الطيفي الضوئي يكتشف الأوراق المنعزلة. وأضاف:

“ما يثير الحماس هو أننا وجدنا أنه يمكننا إيقاف نمو النانوبلايتلات بطريقة مُتحكم فيها، وبالتالي ضبط حجم وتوزيع الآبار الكمومية في أفلام الـ LHP.”

من خلال ذلك، يمكن للباحثين تحقيق تدفقات طاقة ممتازة، وهي ضرورية لتكرار عالي، وعتبة منخفضة، وثبات فوتوني في الظروف المحيطة.

هذا يعني أن المادة سريعة وعالية الكفاءة في توجيه الشحنات والطاقة لأغراض تطبيقات الليزر والصمامات الضوئية.

مع الدور الحاسم للنانوبلايتلات في تكوين طبقات البيروفسكايت في الـ LHPs، سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان يمكن استخدام الـ NPLs لهندسة بنية وخصائص مواد بيروفسكايت أخرى، بما في ذلك تلك المستخدمة في الخلايا الشمسية وغيرها من تقنيات الفوتوفولطية.

“وجدنا أن النانوبلايتلات تلعب دورًا مشابهًا في مواد بيروفسكايت أخرى ويمكن استخدامها لهندسة تلك المواد لتعزيز البنية المطلوبة، مما يحسن أداءها الفوتوفولطي واستقرارها.”

– ميلاد أبولهساني، المؤلف المشارك وأستاذ ALCOA للهندسة الكيميائية والبيومولكولية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية

لذا، استخدم الفريق الـ NPLs للتحكم في توجيه أوجه البيروفسكايت ثلاثية الأبعاد وتعزيز استقرار وكفاءة الخلايا الشمسية ذات الفجوة الواسعة.

استخدام المحاكاة الحاسوبية للحصول على رؤى مفصلة حول البيروفسكايت

الخلايا الشمسية، أو خلايا الطاقة الضوئية (PV)، تكتسب شعبية كبيرة بفضل فوائدها البيئية. فطاقة الشمس، في النهاية، نظيفة ومتجددة ولا تنتج انبعاثات غازات الدفيئة. كما أن ضوء الشمس متوفر بكميات غير محدودة، مما يجعل استغلاله عبر الخلايا الشمسية سهلًا.

بالإضافة إلى ذلك، انخفضت تكلفتها بشكل كبير، حتى 70٪ منذ عام 2010، مما يجعلها ميسورة التكلفة. وقد حسّنت التطورات التقنية من أدائها وعمرها الافتراضي.

وبهذا، من المتوقع أن يصل حجم سوق الخلايا الشمسية العالمي إلى 730.74 مليار دولار خلال العقد القادم.

الخلية الشمسية هي في الأساس جهاز يحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. لهذا، تستخدم مواد مثل السيليكون، لكن العلماء يبحثون عن مواد أكثر كفاءة واستقرارًا، وتُعتبر البيروفسكايت بديلًا واعدًا.

يعمل العلماء على تقنية الخلايا الشمسية البيروفسكايتية منذ فترة، وقد أدت التطورات إلى تحطيم سجلات الكفاءة. في الخلايا الشمسية، تتعاون البيروفسكايت مع السيليكون لاستغلال طيف الشمس بشكل أكبر، وبالتالي توليد كهرباء أكثر لكل خلية.

الآن، باستخدام المحاكاة الحاسوبية وتعلم الآلة، تمكن الباحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد من الحصول على رؤى جديدة حول كيفية عمل مواد البيروفسكايت لتصميم أجهزة ضوئية إلكترونية فعّالة ومستقرة.

اكتسب تعلم الآلة زخمًا كبيرًا في المجتمع العلمي حيث يستخدمه الباحثون لدراسة أنظمة أكبر مما كان ممكنًا بالطرق التقليدية وعلى فترات زمنية أطول.

لذا، درس فريق البحث سلسلة من مواد البيروفسكايت ثنائية الأبعاد، التي تكون أكثر استقرارًا من تلك الثلاثية الأبعاد.

قاموا برسم خريطة للمادة في محاكاة حاسوبية ثم عرضوها لسيناريوهات مختلفة للحصول على فكرة مفصلة عما أدى إلى النتائج في التجربة. تمكن الفريق من الحصول على نظرة أوسع وأكثر تفصيلًا مما كان من قبل، وهو أمر مهم خاصةً هنا لأن كل طبقة رقيقة من هذه المادة تتصرف بشكل مختلف، مما يصعب اكتشافه تجريبيًا.

ساعد الأستاذ بول إرهارت، أحد أعضاء فريق البحث، في الحصول على “فهم أعمق بكثير لكيفية عمل البيروفسكايت ثنائي الأبعاد”.

في مواد البيروفسكايت ثنائية الأبعاد، توجد طبقات غير عضوية مكدسة فوق بعضها ومفصولة بجزيئات عضوية.

“ما اكتشفناه هو أنه يمكنك التحكم مباشرةً في حركة الذرات في الطبقات السطحية من خلال اختيار الروابط العضوية وكيف يؤثر ذلك على حركات الذرات داخل طبقات البيروفسكايت. بما أن هذه الحركة حاسمة للخصائص البصرية، فهي تشبه تأثير الدومينو.”

– بول إرهارت

وفقًا للمؤلف المشارك، يوفر هذا الفهم الكبير فرصة لفهم مصدر استقرار مواد البيروفسكايت ثنائية الأبعاد.

“(هذا يمكن أن يساعد في التنبؤ) أي الروابط والأبعاد التي يمكن أن تجعل المادة أكثر استقرارًا وكفاءة في آن واحد.”

– المؤلفة المساعدة جوليا ويكتور

في الخطوة التالية، سيقوم الفريق “بالانتقال إلى أنظمة أكثر تعقيدًا، وعلى وجه الخصوص الواجهات التي تُعد أساسية لوظيفة الأجهزة،” أضافت ويكتور.

التطورات في تقنيات الليزر والصمامات الضوئية

شهدت البيروفسكايت تطورات كثيرة بفضل إمكاناتها الواسعة عبر عدة مجالات تقنية عالية، بما في ذلك توليد الطاقة النظيفة عبر الخلايا الشمسية، والأجهزة الضوئية مثل كواشف الضوء وأجهزة الاستشعار، وأجهزة الذاكرة.

الأهم من ذلك، أن التقدم في فهم مواد البيروفسكايت والبحث في الـ LHPs يمكن أن يكون عاملًا محوريًا لأجهزة الليزر من الجيل القادم، حيث الدقة والكفاءة هما الأهم، وتكنولوجيا الصمامات الضوئية التي لها تأثيرات على الشاشات والإضاءة وتقنيات العرض المتقدمة.

من خلال ضبط هذه المواد بدقة، يمكننا الحصول على ليزر أكثر كفاءة مع استقرار فوتوني أعلى وصمامات ضوئية ذات سطوع عالي مع استهلاك طاقة منخفض.

في عالم التكنولوجيا المتطور بسرعة، أصبحت الليزر والصمامات الضوئية مكونات أساسية عبر مجموعة متنوعة من الصناعات: الاتصالات، الأجهزة الطبية، التصنيع، والإضاءة الموفرة للطاقة.

ببساطة، غيرت هذه التقنيات طريقة تفاعلنا مع العالم الحديث. أحدث الاختراقات في استخدام البيروفسكايت وهياكل الآبار الكمومية هي مجرد أحد المجالات التي يستكشفها العلماء لتطوير تقنية الليزر والصمامات الضوئية.

فيما يلي بعض التطورات الأخيرة في تقنيات الليزر والصمامات الضوئية:

توفر صمامات الليزر انخفاضًا في التكلفة، وإضاءة أعلى، ومسافة شعاع أفضل، وكفاءة أعلى. بفضل هذه الفوائد، أصبحت مكونًا حيويًا لتخزين البيانات الضوئية. كما أدى تصغير صمامات الليزر إلى تقدم في أنظمة LiDAR للمركبات الذاتية.

في الوقت نفسه، تصدر الليزر فائق السرعة نبضات في نطاق الفيمتوثانية، وهو جزء من مليون مليار من الثانية. يتيح ذلك معالجة دقيقة للمواد دون إحداث ضرر حراري، وبالتالي يُستخدم بشكل متزايد في الجراحات الطبية والبحوث العلمية، خاصةً لدراسة الظواهر على المستوى الجزيئي والذري.

من خلال دمج تعلم الآلة، والذكاء الاصطناعي، وأجهزة الاستشعار، يتم إنشاء ليزر أكثر تقدمًا يعمل بشكل ذاتي، ويزيد الكفاءة، ويكون أكثر دقة.

الطباعة ثلاثية الأبعاد المدعومة بالليزر، حيث يُستخدم مصدر الليزر لدمج المواد بشكل انتقائي وإنشاء أشكال معقدة، هي اتجاه رائد آخر في مجال تقنية الليزر. في التصنيع الإضافي، تكتسب ليزر الألياف شعبية بفضل قوتها العالية، وكفاءتها، وقدرتها على توجيه الشعاع لمسافات طويلة مع خسارة قليلة.

كما يُستخدم الليزر بشكل متزايد للنقش. لهذا الغرض، تُستعمل جميع أنواع الليزر، من ألياف، وثاني أكسيد الكربون، والبلورات إلى ليزر الصمام الثنائي والليزر الصلب المضخَّم بالصمام الثنائي. في حالة واحدة، عدَّل باحثون من جامعة فليندرز الأسطح باستخدام ليزر منخفض الطاقة — الذي عادةً ما يتطلب ليزرًا عالي الطاقة ومكلفًا لتخزين البيانات.

في دراسة أخرى، أبلغنا أن باحثين عرّضوا مادة غير مغناطيسية لإشعاع ليزر عالي التردد لإنتاج تأثير مغناطيسي في درجة حرارة الغرفة، مما قد يمهد الطريق لأجهزة حاسوب أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأسرع، وتحدث ثورة في الإلكترونيات.

أصبحت أجهزة الليزر الجديدة متقدمة لدرجة أنها يمكنها الآن تحليل بشرة الشخص في الوقت الحقيقي. كما تسمح باستهداف دقيق للمناطق المحددة. تم تحسين ليزر الهولميوم (YAG)، أحد أبرز الليزرات في مجال المسالك البولية، مؤخرًا بتقنية تعديل النبضات. تسمح هذه التقنية الجديدة بوضعيات النبض المستمر والمتقطع.

كما أن تطور الليزر أدى إلى ظهور الميكرو ليزر، القابل للتخصيص بدرجة عالية ويقدم حجزًا بصريًا قويًا وتفاعلات ضوء-مادة محسنة.

في مجال الصمامات الضوئية، ارتفعت مدة العمر بشكل كبير، مما يساهم في توفير الطاقة.

تكتسب تقنية الصمامات الضوئية زخمًا خاصًا في إضاءة السيارات، حيث تحسن الرؤية، وكفاءة الطاقة، والمتانة، مما يعزز السلامة. وفي الوقت نفسه، توفر إضاءة الشوارع باستخدام الصمامات الضوئية إضاءة أكثر سطوعًا وتوفيرًا كبيرًا في الطاقة.

هنا، تُظهر تقنية النانو القدرة على التأثير الكبير في كفاءة الصمامات الضوئية. النقاط الكمومية هي بلورات صغيرة جدًا تمتلك خصائص فريدة يمكن تعديلها لإصدار ضوء عبر طيف الرؤية، مما يوفر خيارات ألوان أكثر. تقدم صمامات QD-LED دقة لون محسنة وسطوعًا أعلى، وبالتالي أصبحت شائعة في أجهزة التلفاز والشاشات.

في الوقت نفسه، تسمح النسخ الأصغر من الصمامات الضوئية التقليدية، الميني والمايكرو-LEDs، بدقة أعلى، وتباين أفضل، وكفاءة طاقة في الشاشات. يتم دمجها في أجهزة التلفاز من الجيل التالي، وأجهزة الواقع المعزز/الافتراضي، والهواتف المحمولة لتوفير سطوع أفضل بكثير وأوقات استجابة أسرع من OLEDs.

من خلال دمج أجهزة الاستشعار وميزات الاتصال في الصمامات الضوئية، يطور الباحثون أيضًا أنظمة إضاءة ذكية تُعدّل السطوع واللون والوقت بناءً على تفضيلات المستخدم أو الظروف البيئية.

الشركات الرائدة في هذا المجال

الآن، دعونا نلقي نظرة على فرص الاستثمار المحتملة في المجالات المتقدمة بسرعة للليزر، الصمامات الضوئية، والطاقة النظيفة، والتي يمكن أن تستفيد جميعًا من الاختراقات في مواد البيروفسكايت.

First Solar (FSLR ) هي رائدة في تكنولوجيا الطاقة الشمسية تركّز على حلول الفوتوفولطية رقيقة الفيلم (PV). تُتداول أسهمها بسعر 207.75 دولار، بارتفاع 19.35٪ منذ بداية العام، وتبلغ قيمتها السوقية 22 مليار دولار. في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت الشركة عن مبيعات بقيمة 1.01 مليار دولار بينما تضاعف صافي الدخل إلى 349.4 مليون دولار. في ذلك الوقت، صرّح الرئيس التنفيذي مارك ويدمار أن شركات الطاقة الشمسية تواجه قيودًا على الوصول إلى رأس المال حيث كان المستثمرون ينتظرون توضيح السياسات لاتخاذ قرارات التمويل.

في الوقت نفسه، Lumentum Holdings (LITE ) تشارك في تصميم وتصنيع الليزر لتطبيقات الاتصالات، التجارية، والصناعية. أسهم هذه الشركة ذات القيمة السوقية 4.7 مليار دولار ارتفعت بنسبة 31.21٪ منذ بداية العام وتُتداول بسعر 69.43 دولار.

ثم هناك Acuity Brands, Inc. (AYI ), وهي رائدة في أنظمة إضاءة الصمامات الضوئية. أسهم هذه الشركة ذات القيمة السوقية 9.38 مليار دولار ارتفعت بنسبة 48.9٪ وتُتداول حاليًا بسعر 305 دولارات.

Coherent, Inc. (COHR )

مشارك رئيسي في مجال تكنولوجيا الليزر، توفر Coherent ليزرات لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك معالجة المواد، والإلكترونيات، والطب الحيوي. ارتفعت أسهمها بأكثر من 132٪ هذا العام؛ حتى الآن، تُتداول بسعر 105.10 دولار، مما يضع قيمتها السوقية عند 15.6 مليار دولار. ربح السهم (TTM) هو -1.85، ومعدل السعر إلى الربح (TTM) هو -54.79.

في الربع الرابع المالي، أبلغت الشركة عن إيرادات بقيمة 1.314 مليار دولار و4.708 مليار دولار للعام الكامل المنتهي في 30 يونيو 2024، مع هوامش ربح إجمالية وفق GAAP بنسبة 32.9٪ و30.9٪ على التوالي. وفقًا لريتش مارتوتشي، المدير المالي المؤقت، كان النمو “مدفوعًا أساسًا بقوة مستمرة متعلقة بالذكاء الاصطناعي في أعمال محولات البيانات لدينا.”

مؤخرًا، قدمت الشركة سلسلة جديدة من الليزرات المستمرة الموجة (CW) ذات التغذية الراجعة الموزعة (DFB)، المصممة لتوفير كفاءة طاقة أعلى بنسبة 15٪ مقارنة بالمعايير الصناعية. تلبي هذه الليزرات الطلب المتزايد على عرض النطاق الترددي المطلوب من مراكز البيانات التي تركز على الذكاء الاصطناعي. في وقت سابق من هذا العام، أطلقت Coherent أيضًا ليزرًا صناعيًا بيكوثانية من نوع HyperRapid NXT يتيح تصنيعًا فائق الدقة للخلايا الشمسية رقيقة الفيلم.

الخلاصة

تُعد مواد البيروفسكايت ذات قيمة عالية بفضل كفاءتها، وتكلفتها المنخفضة، ومرونتها، ورقتها، وحركتها، وقدرتها على امتصاص الضوء. وبالتالي، فإن الحصول على فهم أفضل وأكثر عمقًا لهذه المواد، الذي يتقدم بسرعة، يمكن أن يساعدنا في فتح إمكانيات جديدة لتقنيات الليزر والصمامات الضوئية من الجيل القادم.

من خلال التحكم في بنية وسلوك الآبار الكمومية، يمهد الباحثون الطريق لمزيد من كفاءة نقل الطاقة، واستقرار أكبر، وتحسين خصائص الإضاءة. يمكن لهذه الاختراقات أن تجعل البيروفسكايت عوامل تغيير قواعد اللعبة في مجموعة متنوعة من الصناعات، ومع استمرار البحث، لديها القدرة على إحداث ثورة في الطاقة النظيفة، وتقنيات العرض، وتطبيقات الليزر، مما يجعلها محور علم المواد.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشر أسهم طاقة شمسية.