Design and Optimization of High-Efficiency Amorphous/Crystalline Silicon Heterojunction (HIT) Solar Cells Using SCAPS-1D Simulation

غالباً ما تركز أبحاث الطاقة الشمسية على توتر جوهري: كيفية التقاط أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس مع تقليل فقدان الطاقة في العملية إلى أدنى حد. وفي قلب هذا التحدي تكمن الخلية الشمسية، وهي جهاز يحول الضوء إلى كهرباء. يستخدم النوع الأكثر شيوعاً السيليكون البلوري، وهو مادة صلبة ومنظمة للغاية وتتميز بقدرة ممتازة على امتصاص الضوء، لكن إنتاجها في صفائح سميكة ونقية أمر مكلف. ولخفض التكاليف وتحسين الأداء، طور العلماء تصميماً هجيناً يُعرف باسم "الوصلة غير المتجانسة مع طبقة رقيقة ذاتية" (HIT). يضع هذا التصميم طبقة رقيقة جداً وغير منظمة من السيليكون غير المتبلور (الأمورفي) بين رقاقة السيليكون البلورية الرئيسية والوصلات الكهربائية. تعمل الطبقة غير المتبلورة كدرع واقٍ، حيث تعمل على تنعيم الحواف الخشنة لسطح البلورة حيث تُفقد الطاقة عادةً، بينما يقوم اللب البلوري بالعمل الشاق المتمثل في توليد الكهرباء. والهدف الذي يسعى إليه الباحثون هو ضبط سمك وتركيب والخصائص الكهربائية لهذه الطبقات لاستخراج كل قطرة ممكنة من الكفاءة.

في دراسة حديثة، استخدم الباحثان ناغسين ميشرام وبرينا رامتيكي أداة محاكاة حاسوبية قوية لاستكشاف حدود هذه التكنولوجيا. وبدلاً من بناء خلايا فيزيائية في المختبر، وهو أمر قد يكون بطيئاً ومكلفاً، قاموا ببناء نموذج افتراضي لخلية شمسية من نوع (HIT). سمح لهم هذا النموذج الرقمي باختبار آلاف المتغيرات في وقت قصير، من خلال تعديل سمك كل طبقة، وتركيز الشحنات الكهربائية داخلها، وفجوات الطاقة التي يجب أن تعبرها الإلكترونات. ركز عملهم على هيكل محدد: قاعدة من السيليكون البلوري مغطاة بطبقة رقيقة من السيليكون غير المتبلور غير المطعّم، تليها طبقة من السيليكون غير المتبلور المطعّم في المقدمة، وطبقة خلفية خاصة مصممة لعكس الإلكترونات التي تحاول الهروب. ومن خلال تشغيل عمليات المحاكاة هذه، هدف الفريق إلى تحديد الجمع الدقيق بين المواد والأبعاد التي ستؤدي إلى أعلى معدل ممكن لتحويل الطاقة.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة من عمليات المحاكاة التي أجروها هو الأهمية البالغة للطبقة الخلفية، المعروفة باسم مجال السطح الخلفي. عندما أزال الباحثون هذه الطبقة من خليتهم الافتراضية، انخفضت الكفاءة بشكل كبير، لتصل إلى ما يزيد قليلاً عن 17 بالمائة. ومع ذلك، بمجرد إضافة طبقة من السيليكون غير المتبلور المطعّم بكثافة إلى الخلف، ارتفعت الكفاءة لتتجاوز 27 بالمائة. تعمل هذه الطبقة مثل بوابة ذات اتجاه واحد، حيث تخلق حاجزاً كهربائياً يدفع الإلكترونات الهائمة للعودة نحو مركز الخلية، مما يمنعها من التسرب والضياع. أظهرت المحاكاة أن هذا الحاجز فعال للغاية لدرجة أنه يعزز الجهد والقدرة على تقديم الطاقة، مما يثبت أن خلفية الخلية الشمسية لا تقل أهمية عن مقدمتها.

وجد الباحثون أيضاً أن الطبقة الرقيقة غير المطعمة في منتصف الجهاز ضرورية لعمل الخلية بشكل جيد. هذه الطبقة، المكونة من السيليكون غير المتبلور الذاتي، تعمل كعازل يعالج العيوب الموجودة على سطح السيليكون البلوري. فبدونها، سيؤدي السطح البيني الخشن بين المادتين إلى إعادة اتحاد الإلكترونات واختفائها قبل جمعها. أكدت المحاكاة أن تضمين طبقة العزل هذه أمر غير قابل للتفاوض من أجل الأداء العالي. علاوة على ذلك، اكتشف الفريق أن هذه الطبقة يجب أن تكون رقيقة للغاية، ويفضل أن تكون حوالي 8 نانومتر. فإذا أصبحت سميكة جداً، ستبدأ في عرقلة تدفق الكهرباء، لتعمل كحاجز بدلاً من جسر، مما يؤدي إلى انهيار الكفاءة.

تطلب كل جزء آخر من الخلية دقة مماثلة. فالطبقة الأمامية، التي تسمح بمرور الضوء، احتاجت أن تكون رقيقة بما يكفي للسماوت الفوتونات تمر عبر الممتص الرئيسي ولكن سميكة بما يكفي لتوصيل الكهرباء. أشارت المحاكاة إلى أن السمك البالغ 10 نانومتر هو النقطة المثالية. كما نظر الباحثون في نقاء المواد، وتحديداً عدد العيوب أو الشوائب داخل السيليكون. ووجدوا أن حتى الزيادة الطفيفة في هذه العيوب تقلل بشكل كبير من قدرة الخلية على توليد الطاقة. ولتحقيق أفضل النتائج، يجب أن تكون المواد مثالية تقريباً، مع الحفاظ على مستويات العيوب عند الحد الأدنى. ومن خلال الموازنة الدقيقة بين كل هذه العوامل — سمك كل طبقة، وكثافة الشحنات الكهربائية، ونقاء السيليكون — حدد الفريق مجموعة محددة من الظروف التي أنتجت كفاءة قصوى بلغت 27.02 بالمائة في عمليات المحاكاة الخاصة بهم.

لا يدعي هذا العمل بناء خلية فيزيائية جديدة تم اختبارها تحت أشعة الشمس، بل يقدم مخططاً تفصيلياً لما يجب أن تبدو عليه مثل هذه الخلية. تشير الدراسة إلى أنه من خلال الالتزام الصارم بهذه الأبعاد المثالية وخصائص المواد، يمكن للمصنعين تقنياً بناء خلايا شمسية أكثر كفاءة بكثير من تلك المتاحة حالياً. تسلط النتائج الضوء على أن الطريق نحو طاقة شمسية أفضل لا يقتصر فقط على استخدام مواد أفضل، بل يتعلق بترتيبها بدقة مجهرية. وتوضح الخلية الافتراضية التي صممها ميشرام ورامتيكيكي أنه مع الجمع الصحيح بين طبقة حماية رقيقة، وسطح خلفي عاكس، وسيليكون فائق النقاء، من الممكن دفع حدود ما يمكن أن تحققه تكنولوجيا الطاقة الشمسية.