علماء يحققون طفرة في خلايا شمسية رقيقة تزيد كفاءتها بنسبة 30%

حقق باحثون تقدمًا مهمًا في تقنية الخلايا الشمسية الرقيقة من خلال إعادة التفكير في إحدى أكثر المناطق الإشكالية فيها: واجهة التلامس بين المادة الممتصة للضوء والموصل المعدني، وأدى إدخال طبقة أكسيد جيرمانيوم نانوية إلى تحسين كبير في أداء واستقرار الأجهزة.

مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة النظيفة، تكتسب الطاقة الشمسية اهتمامًا واسعًا لوفرتها وقابليتها للتوسع لتلبية الاحتياجات المتزايدة.

وفي هذا السياق، استكشف العلماء الخلايا الشمسية الرقيقة كبديل للأجهزة التقليدية المصنوعة من السيليكون البلوري، لما توفره من تكلفة إنتاج منخفضة ونتائج تصنيع أكثر اتساقًا، بالإضافة إلى ملاءمتها للاستخدام في التطبيقات الإلكترونية المرنة والخفيفة الوزن.

من بين المواد المرشحة، برز كبريتيد القصدير (SnS) كخيار قوي للأجيال القادمة من الخلايا الشمسية الرقيقة، لما يتمتع به من رخص وتوافق بيئي، على عكس التقنيات التقليدية التي تعتمد على عناصر محدودة مثل الإنديوم والجاليوم والتيلوريوم، كما تتوافق أجهزة SnS مع أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة، ومن الناحية النظرية، قادرة على امتصاص ضوء الشمس بكفاءة عالية.

لكن عمليًا، لم تحقق خلايا SnS الأداء المتوقع نظريًا، إذ كانت النتائج التجريبية أقل من التوقعات على الرغم من سنوات من البحث والتحسين.

وتكمن العقبة الأساسية في واجهة التلامس الخلفية بين طبقة SnS والقطب المعدني، حيث تؤدي العيوب الهيكلية والتفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها وحركة الذرات غير المنضبطة إلى تقليل كفاءة جمع ونقل الشحنات الكهربائية، مما يحد من كفاءة الخلية الشمسية الإجمالية.

استراتيجية هندسة الواجهة الجديدة

في هذا السياق، تمكن فريق بحثي بقيادة البروفيسور جايونغ هيو والدكتور راهول كومار ياداف من جامعة تشوننام الوطنية في كوريا الجنوبية من تحقيق تقدم كبير في تصميم الخلايا الشمسية الرقيقة.

نشر فريق البحث دراسة في مجلة Small تشرح طريقة مبتكرة تتمثل في إدخال طبقة أكسيد جيرمانيوم رقيقة جدًا بين الموصل الخلفي من الموليبدينوم وطبقة SnS الممتصة للضوء.

استخدم الباحثون طريقة دقيقة وبسيطة لتكوين طبقة GeOx بسُمك 7 نانومتر، مستفيدين من خاصية أكسدة طبقة Ge الرقيقة في عملية ترسيب البخار، وهي طريقة قابلة للتوسع وصديقة للصناعة.

يشرح البروفيسور هيو: “على الرغم من صغر سمك هذه الطبقة، إلا أنها تعالج العديد من التحديات القديمة في آن واحد، مثل الحد من العيوب العميقة، ومنع انتشار الصوديوم غير المرغوب فيه، وتجنب تكوّن مراحل الموليبدينوم ثنائي الكبريت المقاومة أثناء التصنيع بدرجة حرارة عالية”.

تؤدي هذه التأثيرات مجتمعة إلى تحسين جودة طبقة SnS الممتصة للضوء، وزيادة حجم الحبيبات وتوحيدها، وتعزيز نقل وجمع الشحنات، وتقليل الخسائر الكهربائية بشكل كبير.

مكاسب الكفاءة والتأثيرات الأوسع

أدى إدخال طبقة GeOx المنظمة إلى زيادة كبيرة في كفاءة تحويل الطاقة، من 3.71% في الأجهزة التقليدية إلى 4.81%، وهي واحدة من أعلى الكفاءات المسجلة لأجهزة SnS المصنوعة بطرق الترسيب البخاري.

ويشير الباحثون إلى أن القدرة على هندسة الواجهات المادية بدقة لها تأثيرات واسعة تتجاوز الخلايا الشمسية، مثل تحسين مقاومة الاتصال والأداء في الترانزستورات الرقيقة، وزيادة كفاءة أجهزة التحويل الحراري، وتعزيز حساسية المستشعرات، وتحسين الاستقرار الميكانيكي في الإلكترونيات المرنة، وأداء أجهزة الكشف الضوئي والذاكرة.

يقول البروفيسور هيو: “إتقان واجهة المعدن/أشباه الموصلات يبقى مفتاحًا لتطوير أجهزة الجيل القادم، ونعمل على أن يفتح هذا العمل آفاقًا جديدة للبحث في الخلايا الشمسية المتقدمة والتقنيات الأساسية الأخرى”.

Tags

لينك الدراسة + الصور
https://scitechdaily.com/scientists-solve-a-long-standing-solar-cell-problem-boosting-efficiency-by-nearly-30/