خلايا شمسية عضوية مزودة بدوائر تحكم عصبية مدمجة تهدف إلى تصحيح فقدان النقل في درجات الحرارة المرتفعة

Abstract

تواجه الخلايا الشمسية العضوية (OSCs) تحديًا رئيسيًا يتمثل في الانخفاض الكبير في الكفاءة الكهروضوئية عند ارتفاع درجات الحرارة، نتيجة فقدان النقل الإلكتروني وتزايد معدلات إعادة الاتحاد الحراري. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير خلية شمسية عضوية ذكية مزودة بدائرة تحكم عصبية مدمجة قادرة على تصحيح هذا الفقد في الزمن الحقيقي، بما يعزز الاستقرار الحراري والأداء الكهروضوئي في ظروف التشغيل القاسية.

تم تصنيع الخلايا باستخدام بنية طبقية من نوع ITO / PEDOT:PSS / P3HT:PCBM / ZnO / Al، مع معالجة حرارية تتراوح بين ‎25–100°C‎ لمحاكاة ظروف التشغيل البيئية. جرى تطوير نموذج شبكة عصبية أمامية (Feed-Forward ANN) بثلاث طبقات أساسية: مدخلات تمثل درجة الحرارة، الجهد، والتيار؛ وخرج يمثل الجهد التصحيحي لتعويض الفقد. تم تدريب الشبكة باستخدام بيانات تجريبية لخلايا غير محكومة عند درجات حرارة متزايدة، باستخدام خوارزمية Levenberg–Marquardt لتحسين سرعة التقارب والدقة التنبؤية.

أظهرت النتائج أن دمج دائرة التحكم العصبية أدى إلى تحسين متوسط كفاءة التحويل بنسبة ‎18.6%‎ عند درجة ‎80°C‎ مقارنة بالخلايا التقليدية، مع انخفاض فقد الجهد (ΔVoc) بمعدل ‎27%‎ وتحسن في معامل الامتلاء (FF) من ‎0.65‎ إلى ‎0.74‎. كما أظهرت التحاليل الطيفية (UV–Vis) والاستقصاءات المورفولوجية (AFM, SEM) استقرارًا بنيويًا أوضح في الطبقة النشطة نتيجة الضبط العصبي للتيار أثناء التشغيل الحراري. أظهرت المحاكاة العددية وفق نموذج الانجراف–الانتشار (Drift–Diffusion) توافقًا عاليًا مع القياسات التجريبية بنسبة خطأ أقل من ‎4.5%‎، مما يؤكد دقة التكامل بين النمذجة الفيزيائية والتحكم العصبي.

تؤكد هذه النتائج إمكانية تطبيق الذكاء العصبي كمنظومة تصحيح ذاتي في الخلايا الشمسية العضوية دون الحاجة إلى وحدات تبريد أو تحكم خارجي، وهو ما يمثل توجهًا واعدًا نحو تطوير الجيل الرابع من الأنظمة الكهروضوئية الذكية عالية الاستقرار والكفاءة في البيئات الحارة.