Near 13% efficient semitransparent Cu(In,Ga)S2 solar cells with band gap of 1.6 eV on transparent back contact
تُظهر هذه الدراسة أن الخلايا الشمسية من كبريتيد النحاس والإنديوم والغاليوم (Cu(In,Ga)S₂) شبه الشفافة ذات الفجوة العريضة (1.6 إلكترون فولت) ذات الموصلات الخلفية الشفافة من أكسيد الإنديوم والقصدير (In₂O₃:Sn) يمكن أن تحقق كفاءات تقترب من 13% عن طريق تحسين إمداد الصوديوم والنمو عند درجات حرارة عالية، مع موازنة سمك الطبقة البينية لـ GaOₓ لمنع حجب التيار.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول بناء محطة طاقة شمسية ذات طابقين.
في اللوح الشمسي التقليدي، يكون السقف مصنوعًا من مادة تلتقط كل ضوء الشمس، لكنها تهدر الكثير من الطاقة لأنها تحاول التقاط كل ألوان الضوء، حتى تلك التي لا تستطيع استخدامها بكفاءة. ولحل هذه المشكلة، يقوم العلماء ببناء خلايا شمسية ترادفية (Tandem Solar Cells). فكر في الأمر كمنزل ذي طابقين:
- الطابق العلوي (الخلية العلوية): يحتاج إلى التقاط الضوء الأزرق عالي الطاقة، والسماح للضوء الأحمر منخفض الطاقة بالمرور إلى الطابق الذي أسفله.
- الطابق السفلي (الخلية السفلية): يلتقط الضوء الأحمر الذي سمح له الطابق العلوي بالمرور من خلاله.
المشكلة تكمن في أن مادة "الطابق العلوي" (تسمى CIGS أو Cu(In,Ga)S₂) صعبة التصنيع. فهي تحتاج أن تكون شفافة من الأسفل ليمر الضوء من خلالها، ولكن يجب أن تكون أيضًا موصلًا كهربائيًا مثاليًا لجمع الطاقة. عادةً ما يكون الجزء الخلفي من الخلية الشمسية مصنوعًا من معدن لامع ومعتم (مثل المرآة)، مما يحجب الضوء. أما بالنسبة للخلية الترادفية، فنحن بحاجة إلى اتصال خلفي شفاف (TBC) — مثل أرضية زجاجية شفافة تظل قادرة على توصيل الكهرباء.
حاول الباحثون في هذه الورقة البحثية بناء هذا "الطابق العلوي" باستخدام مادة شفافة تسمى ITO (أكسيد الإنديوم والقصدير) كوصلة خلفية. لقد واجهوا بعض العقبات، لكنهم تمكنوا من حلها للوصول إلى نتيجة عالية الكفاءة (تقترب من 12.7%، وهو أمر مذهل لهذا النوع من الخلايا).
إليك قصة كيف فعلوا ذلك، باستخدام بعض التشبيهات البسيطة:
1. مشكلة الحرارة: خبز الكعكة المثالية
لجعل مادة الخلية الشمسية (التي هي بمثابة "الكعكة") عالية الجودة، تحتاج إلى خبزها في درجة حرارة عالية (630 درجة مئوية).
- المشكلة: عندما تخبز في هذه الحرارة العالية، تبدأ مادة "الأرضية الزجاجية الشفافة" (ITO) بالتفاعل مع مكونات الكعكة. وتحديدًا، تتكون طبقة من "الصدأ" (أكسيد الغاليوم، أو GaOx) بين الكعكة والأرضية.
- التشبيه: تخيل خبز كعكة على طبق زجاجي. إذا كان الطبق سميكًا جدًا والفرن ساخنًا جدًا، ستتكون طبقة سميكة من السكر المحروق بين الكعكة والطبق. هذه الطبقة المحروقة تعمل مثل ازدحام مروري. الكهرباء (التي تمثل "السيارات") تعلق وهي تحاول الخروج من الكعكة وعبور الأرضية، مما يؤدي إلى ضعف أداء الخلية الشمسية.
2. المكون السري: الصوديوم (Na)
اكتشف الباحثون أن إضافة الصوديوم تشبه إضافة توابل خاصة تُصلح قوام الكعكة.
- من أين يأتي: عادةً ما تسرب القاعدة الزجاجية (صينية الخبز) القليل من الصوديم إلى الكعة بشكل طبيعي.
- التجربة: حاولوا إضافة صوديوم إضافي (عن طريق رش مسحوق NaF) وحاولوا أيضًا الخبز على أطباق زجاجية أرق (طبقات ITO أرق).
- النتيجة:
- ITO سميك + حرارة عالية: خلق طبقة "صدأ" سميكة (GaOx). حتى مع وجود صوديوم إضافي، ظل الازدحام المروري قائمًا. تعطلت الكهرباء، وانخفضت الكفاءة.
- ITO رقيق + حرارة عالية: كانت طبقة "الصدأ" رقيقة جدًا. الكهرباء استطاعت التدفق بسهولة.
- السحر: حتى بدون إضافة صوديوم إضافي، سمح الـ ITO الرقيق بقدر كافٍ من الصوديوم الطبيعي المتسرب من الزجاج بالدخول. عمل هذا الصوديوم مثل شرطي مرور، حيث قام بتنظيف الطريق وحل "الازدحام المروري" الناتج عن الصدأ.
3. إصلاح الشقوق (العيوب)
تحتوي الخلايا الشمسية على شقوق صغيرة وعيوب حيث تضيع الطاقة.
- الحرارة المنخفضة (575 درجة مئوية): كانت الكعكة غير ناضجة تمامًا. كانت تحتوي على حبيبات صغيرة والعديد من الشقوق، مما أدى لتسرب الطاقة.
- الحرارة العالية (630 درجة مئوية): كانت الكعكة مخبوزة بشكل مثالي. نمت الحبيبات لتصبح كبيرة واندمجت معًا، مما أغلق الشقوق.
- تأثير الصوديوم: ساعدت إضافة الصوديوم في "معالجة" الشقوق المتبقية. وقاس الباحثون مدى توهج المادة بالضوء (الوميض الضوئي). العينات التي عولجت بالحرارة العالية والصوديوم توهجت بسطوع أكبر بـ 100 مرة من عينات الحرارة المنخفضة، مما يعني أنها لا تفقد تقريبًا أي طاقة بسبب العيوب.
الفوز الكبير
من خلال الجمع بين الحرارة العالية (لصنع كعكة قوية وخالية من العيوب) مع اتصال خلفي شفاف رقيق (لإبقاء طبقة "الصدأ" رقيقة) والقدر المناسب من الصوديوم (لتنظيف الطريق)، حققوا طفرة نوعية:
- بنوا خلية شمسية بفجوة نطاق تبلغ 1.6 إلكترون فولت (مثالية للطابق العلوي من الخلية الترادفية).
- وصلت كفاءتها إلى 12.7%.
- والأهم من ذلك، أنها عملت بشكل جيد حتى مع وجود الاتصال الخلفي الشفاف، مما يثبت أن هذه المادة جاهزة لتكون "الطابق العلوي" في الجيل القادم من الألواح الشمسية فائقة الكفاءة.
باختًا: لقد عرفوا كيفية خبز خلية شمسية عالية الأداء على أرضية زجاجية شفافة دون السماح للحرارة بخلق طبقة صدأ تسبب ازدحامًا مروريًا. فعلوا ذلك باستخدام أرضية زجاجية أرق وترك الصوديوم الطبيعي يقوم بالمهمة الكبرى في تنظيف الواجهة. وهذا يمهد الطريق لألواح شمسية يمكنها التقاط ضوء الشمس أكثر من أي وقت مضى.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.