طريقة مبتكرة ترصد العيوب العميقة والسطحية في خلايا الشمس السيليكونية لرفع الكفاءة

كشف فريق بحثي مشترك عن تحديد الأنواع الدقيقة للعيوب المسؤولة عن فقدان الكفاءة في خلايا السيليكون المتغايرة (SHJ) للمرة الأولى، وهو إنجاز من شأنه تعزيز تقنيات تحسين أداء الخلايا الشمسية عند دمجه مع أساليب الحد من العيوب.
وتحدث الدراسة، المنشورة في دورية Advanced Functional Materials، نهجًا متقدمًا لفهم طبيعة العيوب التي تتشكل داخل الخلايا الشمسية وتؤدي إلى خفض كفاءة التحويل والطاقة المنتجة.
وتستهدف تقنيات الحد من العيوب، مثل عمليات التمرير السطحي، السيطرة على هذه العيوب بعد تحديد خصائصها بدقة.
ويعتمد الأسلوب التقليدي لتحليل العيوب، المعروف باسم التحليل العابر لمستويات الطاقة العميقة (DLTS)، على تطبيق نبضة جهد قصيرة تتسبب في تغيّر مؤقت في الخصائص الإلكترونية للجهاز، ثم قياس استجابته عند عودته إلى حالته الطبيعية.
غير أن زمن الاستجابة القصير، الذي لا يتجاوز أجزاء من الألف من الثانية، أدى إلى قياسات محدودة تقتصر على نقطتين فقط: مباشرة بعد النبضة، وعند استعادة الحالة المستقرة، دون تسجيل المسار الكامل للاستجابة.
ورغم ملاءمة هذا الأسلوب للأجهزة ذات البنية البسيطة، فإنه لم يكن كافيًا لتحليل الخلايا الشمسية المتغايرة ذات البنية المركبة، ما جعل معرفة خصائص عيوبها تعتمد في السابق على استنتاجات غير مباشرة.

تحليل الاستجابة العابرة كاملة للخلايا

ولمعالجة هذا القصور، طوّر فريق يضم الدكتورة هي-إيون سونج من معهد كوريا لأبحاث الطاقة (KIER)، وكا-هيون كيم من جامعة تشونجبوك الوطنية، تفسيرًا جديدًا يعتمد على تحليل الاستجابة العابرة كاملة للخلايا، ما مكّن من الكشف عن أن العيب الرئيسي في خلايا SHJ ليس واحدًا، بل مزيج من عيبين مختلفين.
وتبيّن أن هذين العيبين يتكونان من مكوّن بطيء (عيب عميق المستوى) وآخر سريع (عيب سطحي ضحل).
ومن خلال تحليل كل مكوّن على حدة، تمكن الباحثون من تحديد خصائص تشمل مستوى طاقة العيب، وموقعه داخل الخلية، وطبيعة الروابط الذرية التي يتشكل منها.
كما أثبتت النتائج أهمية التقييمين الكمي والنوعي معًا لفهم تأثير العيوب على الأداء، خصوصًا عند تطبيق تقنيات التمرير السطحي.
وأظهرت الدراسة كذلك أن العيوب يمكن أن تتغير تبعًا لعمليات التصنيع وظروف تشغيل الخلية، وأن وجود الهيدروجين داخل الخلية يلعب دورًا محوريًا في هذه التحولات.

تسريع تطوير خلايا شمسية عالية الكفاءة.

وأعربت الدكتورة سونج عن توقعاتها بأن يسرّع هذا الاكتشاف تطوير خلايا شمسية عالية الكفاءة، ويعزز فرص إنتاج خلايا ترادفية متقدمة اعتمادًا على تقنيات معهد KIER، فيما أكد كيم، أن المنهج التحليلي الجديد قابل للتطبيق على نطاق واسع يشمل أنظمة أشباه الموصلات، مثل الحساسات، وشاشات العرض، وأجهزة LED، وتقنيات CMOS.
واستندت الدراسة إلى خلايا SHJ مصنّعة في مركز تكنولوجيا الخلايا الشمسية المتقدمة التابع لمعهد KIER، بينما جرت تحليلات DLTS في جامعة تشونغبوك، ما قدّم أساسًا علميًا متينًا لتطوير الجيل التالي من الخلايا الشمسية.