Surface Physics of Low-Dimensional Pnictogen Chalcohalides and Its Impact on Photovoltaic Technologies

تُعد الخلايا الشمسية هي العمود الفقري لعملية الانتقال الحديثة نحو الطاقة الخضراء، حيث تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. ولكي تعمل هذه الأجهزة بشكل جيد، فإنها تعتمد على بنية داخلية دقيقة حيث يجب أن تتعاون طبقات مختلفة من المواد بشكل مثالي. تقوم إحدى الطبقات بامتصاص الضوء وتوليد تدفق من الجسيمات المشحونة الصغيرة، بينما تعمل طبقات أخرى كحراس بوابة، توجه تلك الجسيمات إلى الأسلاك الصحيحة دون السماح لها بالضياع أو إلغاء بعضها البعض. وتعتمد كفاءة هذه العملية بشكل كبير على مستويات الطاقة الدقيقة عند الأسطح حيث تلتقي هذه الطبقات. فإذا لم تتوافق مستويات الطاقة بشكل صحيح، لا يمكن للكهرباء أن تخرج، ويفشل الجهاز في الأداء. وبينما ركز العلماء لفترة طويلة على التركيب الكيميائي لهذه المواد، تشير دراسة جديدة إلى أن الشكل الفيزيائي وتوجه أسطح البلورات نفسها قد يكون هو القطعة المفقودة في لغز عائلة واعدة من المواد الشمسية.

لقد حدد الباحثون مؤخرًا مجموعة من المركبات تُعرف باسم "بنيكتوجين كالسوكوهاليد" (pnictogen chalcohalides) كمرشحات محتملة لتكون نجومًا في عالم الطاقة الشمسية. وتتكون هذه المواد من عناصر مثل البزموت أو الأنتيمون مدمجة مع الكبريت أو السيلينيوم أو اليود أو البروم. وهي جذابة لأنها غير سامة ومستقرة وتمتص الضوء بفعالية كبيرة، وهي قادرة نظريًا على تحويل ما يصل إلى ثلاثين بالمائة من ضوء الشمس إلى كهرباء. ومع ذلك، فإن الخلايا الشمسية الواقعية المصنوعة من هذه المواد واجهت صعوبة في الوصول حتى إلى عشرة بالمائة من الكفاءة. وقد اشتبه العلماء في أن العيوب داخل المادة أو سوء تصميم الجهاز كانا السبب في ذلك، لكن تحقيقًا جديدًا شاملاً كشف أن المشكلة قد تكمن في الهندسة المجهرية لأسطح البلورات.

استخدم فريق من الباحثين من إسبانيا عمليات محاكاة حاسوبية قوية لفحص أسطح ثمانية مركبات مختلفة من هذه العائلة. وبدلاً من افتراض أن أوجه البلورات الأكثر شيوعًا هي الأكثر استقرارًا، قاموا باختبار مجموعة واسعة من توجهات الأسطح المحتملة بشكل منهجي، بما في ذلك بعض التوجهات التي نادرًا ما تؤخذ في الاعتبار. واكتشفوا أنه بالنسبة لكل مركب درسوه، كان هناك سطحان محددان هما الأكثر استقرارًا والأكثر عرضة للتشكل أثناء عملية التصنيع. أحد هذين السطحين، المعروف باسم الوجه (011)، تم تجاهله إلى حد كبير في الأبحاث السابقة، بينما كان الوجه الآخر (010) معروفًا بالفعل. والسطحان متشابهان جدًا في الطاقة لدرجة أنهما سيتواجدان طبيعيًا في خلية شمسية حقيقية، حيث يظهران جنبًا إلى جنب في نفس قطعة المادة.

إن النتيجة الحاسمة هي أنه على الرغم من أن هذين السطحين توأمان في الطاقة، إلا أنهما يتصرفان كغرباء عندما يتعلق الأمر بالكهرباء. وجد الباحثون أن مستويات الطاقة عند حافة قدرة المادة على توصيل الكهرباء تنزاح بمقدار كبير بين الوجهين. ففي أحد السطحين، تكون مستويات الطاقة عميقة ومنخفضة، بينما في الآخر، تكون مرتفعة جدًا. ويمكن أن يصل هذا الاختلاف إلى 0.8 إلكترون فولت، وهي فجوة كبيرة في عالم الفيزياء الذرية. ولوضع هذا في المنظور، فإن هذا الفرق في الطاقة يعادل تقريبًا ارتفاع مبنى مكون من ثلاثة طوابق إذا كان مقياس الطاقة عبارة عن سلم رأسي، مما يخلق حاجزًا هائلًا يجب على الإلكترونات محاولة تسلقه.

ولأن هذين السطحين متقاربان جدًا في الطاقة، فإن خلية شمسية حقيقية مصنوعة من هذه المواد ستتضمن حتمًا مزيجًا من كليهما. قام الباحثون بعد ذلك بمحاكاة كيفية سلوك خلية شمسية إذا كانت تحتوي على كلا النوعين من الأسطح. وكانت النتائج صارخة: إذ أدى وجود الأسطح غير المتوافقة إلى خلق صراع في تدفق الكهرباء. فالسطح الذي كان جيدًا في السماح للإلكترونات بالخروج كان سيئًا في السماح للثقوب (النظراء الموجبين) بالخروج، والعكس صحيح. وعندما يتواجد كلا السطحين، فإنهما يتصارعان ضد بعضهما البعض، مما يؤدي إلى انخفاض جهد الجهاز بشكل كبير. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، أدى هذا الصراع الداخلي إلى تقليل الجهد الأقصى بمقدار يصل إلى 0.6 فولت، وهو فقدان يفسر سبب فشل هذه المواد في الوصول إلى إمكاناتها النظرية.

يغير هذا الاكتشاف طريقة تفكير العلماء في تصميم هذه الخلايا الشمسية. فهو يشير إلى أن الكفاءة المنخفضة ليست بالضرورة ناتجة عن كيمياء سيئة أو شوائب، بل عن عيب تصميمي خفي: وهو المزيج غير المنضبط من أوجه البلورات المختلفة. وتوحي الدراسة بأنه لبناء خلية شمسية عالية الأداء، يجب على المهندسين تعلم كيفية التحكم في توجه البلورات، وضمان تعرض الوجه الأكثر ملاءمة فقط للتلامس الكهربائي. بدلاً من ذلك، يمكنهم تصميم الجهاز للاستفادة من هذا الفرق، باستخدام فجوة الطاقة الطبيعية بين الأوجه للمساعدة في فصل الشحنات، تمامًا مثل المحفز الضوئي الذي يشطر الماء.

ويؤكد الباحثون أن نتائجهم تستند إلى نماذج حاسوبية لأسطح مثالية ونظيفة، وأن المواد الواقعية ستتضمن تعقيدات إضافية مثل الشوائب وخشونة السطح. ومع ذلك، توفر عمليات المحاكاة تفسيرًا واضحًا للفجوة بين النظرية والتجربة. ومن خلال تحديد توجه السطح كمتغير حاسم، ولكنه كان مخفيًا سابقًا، يفتح هذا العمل مسارًا جديدًا للمضي قدمًا. فهو يشير إلى أن المفتاح لإطلاق الإمكانات الكاملة لهذه المواد الشمسية غير السامة لا يكمن فقط في ماهية المكونات التي تتكون منها المادة، بل في كيفية تشكيل سطحها ومحاذاته.