Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

ضوء الشمس هو نهر هائل وغير مستوٍ من الطاقة، يحتوي على ألوان تتراوح من البنفسجي الذي نراه إلى الأشعة تحت الحمراء غير المرئية التي تمنح بشرتنا الدفء. لعقود من الزمن، كانت الطريقة الأكثر كفاءة لالتقاط هذه الطاقة هي استخدام مادة واحدة، مثل السيليكون، لتحويل الضوء إلى كهرباء. لكن المادة الواحدة تعمل مثل المنخل ذي الثقوب ذات الحجم الثابت؛ فهي تلتقط بعض الألوان جيدًا وتسمح لبعضها الآخر بالمرور عبرها، مما يهدر طاقتها على شكل حرارة. وللالتقاط المزيد من هذا النهر، اتجه العلماء إلى تكديس مواد مختلفة فوق بعضها البعض، مما أدى إلى إنشاء خلايا شمسية "ترادفية" (tandem). كل طبقة مضبوطة لالتقاط شريحة مختلفة من طيف ضوء الشمس، حيث تعمل معًا لحصد طاقة أكبر بكثير مما يمكن لطبقة واحدة أن تحصده أبدًا. كان التحدي دائمًا يكمن في إيجاد المواد المناسبة للطبقة السفلية، والتي يجب أن تكون رقيقة، ومرنة، وقادرة على التقاط الموجات الطويلة غير المرئية للأشعة تحت الحمراء دون أن تتحلل.

لقد حدد فريق من الباحثين في جامعة أكسفورد ومعهم متعاونون مادة جديدة يمكنها حل هذه المشكلة، مما يوفر مسارًا لخلايا شمسية ليست أكثر كفاءة فحسب، بل أيضًا أرخص وأكثر استقرارًا في التصنيع. لقد ركزوا على مركب يسمى كبريتيد بزموت الفضة، وهي مادة أظهرت وعودًا في الخلايا الشمسية أحادية الطبقة ولكن لم تُستخدم بنجاح قط كطبقة سفلية في جهاز ترادفي متراكم. اكتشف الباحثون أن هذه المادة تتمتع بميزة طبيعية: يمكنها امتصاص الأشعة تحت الحمراء بشكل أكثر فعالية من المرشح الرائد الحالي، وهو خليط من الرصاص والقصدير، وهي لا تتحلل عند التعرض للهواء. ومن خلال تطوير طريقة جديدة لوضع أفلام سميكة من هذه المادة، أثبتوا أول خلايا شمسية ترادفية تعمل باستخدام كبريتيد بزموت الفضة، مما أثبت أنه يمكن اقترانه بطبقات أخرى لإنشاء مصدر طاقة عالي الكفاءة، ومستقر، وقابل للتوسع.

بدأت الرحلة إلى هذا الاكتشاف بسؤال بسيط في الفيزياء. في الخلية الشمسية الترادفية، تحتاج الطبقة السفلية إلى "فجوة نطاق" (bandgap) محددة، وهو مصطلح يصف الحد الأدنى من الطاقة التي تحتاجها المادة لتحويل الضوء إلى كهرباء. إذا كانت فجوة النطاق مرتفعة جدًا، فإن المادة ستتجاهل الأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة؛ وإذا كانت منخفضة جدًا، فستبدد الطاقة من الضوء عالي الطاقة. فجوة النطاق المثالية للطبقة السفلية في خلية ثنائية الطبقات هي أقل بقليل من واحد إلكترون فولت، وفي الخلية ثلاثية الطبقات، تكون حتى أقل من ذلك. المعيار الحالي للطبقة السفلية في الخلايا الشمسية المتقدمة هو خليط من الرصاص والقصدير. وبينما يمكن ضبط هذا الخليط لامتصاص الأشعة تحت الحمراء، إلا أن فجوة النطاق الخاصة به لا تزال مرتفعة قليلاً عن المثالية، كما أن مكون القصدير غير مستقر كيميائيًا، فهو عرضة للتفاعل مع الأكسجين وإتلاف الخلية ما لم تُصنع في بيئة معزولة تمامًا وخالية من الأكسجين.

التفت الباحثون إلى كبريتيد بزموت الفضة. تمتلك هذه المادة طبيعيًا فجوة نطاق تبلغ حوالي واحد إلكترون فولت، وهي أقرب بكثير إلى القيمة المثالية للطبقة السفلية من خليط الرصاص والقصدير. وهي أيضًا مصنوعة من عناصر وفيرة وغير سامة، وعلى عكس خليط الرصاص والقصدير، فهي مستقرة في الهواء العادي. ومع ذلك، كان هناك عقبة كبيرة. في التجارب السابقة، كان كبريد بزموت الفضة يعمل بشكل أفضل فقط عندما يُصنع في أفلام رقيقة للغاية، بسمك بضع عشرات النانومترات فقط. وذلك لأن المادة لديها "طول انتشار" قصير، مما يعني أنه بمجرد أن تنشئ جسيمات الضوء شحنة كهربائية، لا تستطيع تلك الشحنة السفر بعيدًا قبل أن تضيع. ولكي تعمل الخلية الشمسية بشكل جيد، خاصة تلك المصممة لالتقاط الأشعة تحت الحمراء، يجب أن يكون الفيلم أكثر سمكًا، حوالي مائة نانومتر أو أكثر، لامتصاص قدر كافٍ من الضوء. وإذا كان الفيلم سميكًا جدًا، فإن الشحنات تُحبس ويتوقف تدفق الكهرباء.

للتغلب على ذلك، طور الباحثون طريقة جديدة لتحضير المادة. بدلاً من بناء الفيلم طبقة تلو الأخرى في عملية بطيئة ومملة، صنعوا حبرًا سائلًا يحتوي على بلورات صغيرة من كبريتيد بزموت الفضة. ثم عالجوا هذه البلورات بمزيج من العوامل الكيميائية، وتحديدًا البروميد واليوديد، لتنظيف أسطحها وحمايتها. هذه المعالجة، المعروفة باسم "تبادل الليجاند في الطور السائل"، سمحت للبلورات بالالتصاق ببعضها البعض بإحكام وتوصيل الكهرباء بشكل أفضل. وكانت النتيجة فيلمًا يمكن ترسيبه في خطوة واحدة، تمامًا مثل فرد الطلاء، ويمكن جعله بسمك يصل إلى 340 نانومتر دون تشقق أو فقدان قدرته على نقل الكهرباء. كان هذا اختراقًا حاسمًا، لأنه يعني أن المادة يمكن أخيرًا أن تكون سميكة بما يكفي لالتقاط الأشعة تحت الحمراء التي صُممت من أجلها.

مع الحصول على هذا الفيلم السميك الجديد، بنى الفريق أول خلايا شمسية ترادفية باستخدام كبريتيد بزموت الفضة. لقد صنعوا نوعين من الأجهزة. الأول كان "رباعي الأطراف"، حيث وُضعت خليتان شمسيتان منفصلتان فوق بعضهما البعض ولكن تعملان بشكل مستقل، مثل بطاريتين منفصلتين متصلتين في دائرة. وقد جمعوا بين خلية سفلية من كبريتيد بزموت الفضة وخلية علوية مصنوعة من مادة أخرى تسمى البيروفسكايت. أنتج هذا المزيج كفاءة تقارب 24 بالمائة، وهي نتيجة قوية أثبتت أن المادتين يمكنهما العمل معًا بفعالية. النوع الثاني كان "أحاديًا" أو "ثنائي الأطراف"، حيث دُمجت الطبقات في وحدة واحدة صلبة تعمل كبطارية واحدة. كان هذا تحديًا هندسيًا أصعب، حيث تطلب وجود طبقة شفافة خاصة بين الخليتين للسماو بمرور الكهرباء بينهما دون حدوث تماس كهربائي. ورغم تعقيد الأمر، نجح الفريق في بناء هذه الأجهزة، موضحين أن جهود الطبقتين تضاف بشكل صحيح، وهو مطلب أساسي لخلية ترادفية عاملة.

أشارت عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون قبل بناء الأجهزة إلى أن كبريتيد بزموت الفضة يمكن أن يدفع الكفاءة النظرية للخلايا الشمسية ثلاثية الطبقات إلى ما يقرب من 48 بالمائة، وهو أعلى بكثير من حد الـ 36 بالمائ المخصص لتقنية الرصاص والقصدير الحالية. وبينما لم تصل الأجهزة التي صنعوها بعد إلى تلك الذروة النظرية، إلا أن النتائج التجريبية أكدت أن المادة تعمل وأن الطريقة الجديدة لصنعها قابلة للتطبيق. كما اختبر الفريق استقرار خلاياهم الجديدة؛ فقد تركوا أجهزة غير مغلفة موضوعة على رف في هواء جاف لمدة ثلاثة أشهر. وبينما كان جهاز مشابه مصنوع من خليط الرصاص والقصدير سيفقد معظم طاقته في يوم ونصف فقط، احتفظت خلايا كبريتيد بزموت الفضة بأكثر من 90 بالمائ من كفاءتها الأصلية. ويشير هذا الدوام إلى أن الألواح الشمسية المستقبلية المصنوعة من هذه المادة يمكن تصنيعها في مصانع عادية دون الحاجة إلى غرف مكلفة خالية من الأكسجين، مما قد يؤدي إلى خفض تكلفة الطاقة الشمسية.

نظر الباحثون أيضًا في مدى سهولة صنع هذه الأفلام على نطاق واسع. وقارنوا طريقتهم الجديدة ذات الخطوة الواحدة بالطريقة القديمة متعددة الخطوات ووجدوا أن النهج الجديد أسرع وأرخص بكثير. لقد نجحوا في توسيع نطاق عمليتهم من عينات مختبرية صغيرة إلى ألواح أكبر، موضحين أن الفيلم ظل منتظمًا وخاليًا من العيوب حتى عند صنعه على سطح بحجم بلاطة صغيرة. هذا التوسع ضروري للانتقال من مجرد فضول مختبري إلى منتج يمكن استخدامه على الأسطح أو دمجه في المباني.

لا يعني هذا العمل أن المشكلة قد حُلت تمامًا. فقد لاحظ الباحثون أنه حتى مع تحسيناتهم، لا تزال الشحنات في كبريتيد بزموت الفضة تُحبس بسرعة نسبيًا، مما يحد من مدى سمك الفيلم وكمية التيار الذي يمكنه توليده. وقد حددوا أن الخطوة التالية هي إيجاد طرق لجعل المادة أكثر توصيلًا للكهرباء، ربما عن طريق تغيير كيفية ترتيب البلورات، بحيث يمكن للشحنات السفر لمسافات أبعد. ومع ذلك، فقد أرست الدراسة مسارًا واضحًا للمضي قدمًا. فمن خلال إثبات إمكانية صنع كبريتيد بزموت الفضة في أفلام سميكة ومستقرة وفعالة، ومن خلال إظهار نجاحه في أول خلايا شمسية ترادفية، فتح الفريق الباب أمام جيل جديد من التكنولوجيا الشمسية، أكثر كفاءة واستقرارًا، ومن المحتمل أن تكون أرخص إنتاجًا مما هو موجود اليوم.