Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors
تفيد هذه الدراسة بالنجاح في تصنيع خلايا شمسية من نوع Cu2ZnSn(S,Se)2 خالية من الموليبدنيوم باستخدام سلائف عنصرية وطريقة المعالجة بالمحلول، مما يوضح أن دمج السيلينيوم يقلل من حجم الحبيبات وفجوة النطاق مع تحقيق كفاءة ذروة تبلغ 0.166% لعينة CZTSSe N.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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
يعمل العالم بالطاقة، لكن المصادر التي نعتمد عليها اليوم محدودة وضارة بالكوكب. فالوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط سينفد في النهاية، وحرقها يؤدي إلى تدفئة الغلاف الجوي. وقد دفع هذا الواقع العلماء للبحث عن بدائل أنظف، حيث تقدم أشعة الشمس الوعد الأكثر وفرة. ويكمن التحدي ليس في التقاط ضوء الشمس، بل في تحويله إلى كهرباء بكفاءة وبتكلفة ميسورة. ولعقود من الزمن، كان السيليكون هو المادة القياسية للخلايا الشمسية، لكن تنقيته مكلفة وتتطلب تصنيعاً معقداً. وتستخدم جيل جديد من الخلايا الشمسية أغشية رقيقة من بلورات خاصة تسمى "كيستريت" (kesterites). هذه المواد مصنوعة من عناصر شائعة وغير سامة، مثل النحاس والزنك والقصدير والكبريت. وهي تمتلك القدرة على أن تكون أرخص وأكثر رفقاً بالبيئة من السيليكون التقليدي، بشرط أن يتمكن الباحثون من جعلها تعمل بجودة تضاهي أفضل التقنيات الموجودة حالياً.
استكشف فريق من الباحثين في إندونيسيا مؤخراً طريقة جديدة لبناء هذه الخلايا الشمسية، مع التركيز على نوع محدد من بلورات الكيستريت التي تتضمن السيلينيوم، وهو عنصر كيميائي مرتبط بالكبريت. كان هدفهم هو إنشاء خلية شمسية كاملة باستخدام مواد أساسية متوفرة محلياً وعملية بسيطة تعتمد على السوائل، وتجنب غرف الفراغ (الخلخلة) المكلفة التي تُستخدم عادة في التصنيع عالي التقنية. قاموا ببناء جهاز يتكون من طبقات من الزجاج الشفاف، وطبقة أكسيد خاصة، وغشاء رقيق من بلوراتهم المصنوعة خصيلاً، محصوراً بين طبقات موصلة أخرى. ومن خلال استبدال بعض الكبريت في مزيجهم بالسيلينيوم، هدفوا إلى ضبط قدرة المادة على امتصاص الضوء وتوصيل الكهرباء. وقارن الفريق بين الخلايا المصنوعة من مواد كيميائية مخبرية قياسية وتلك المصنوعة من مساحيق خام مستوردة محلياً لمعرفة ما إذا كان المسار الأرخص يمكن أن يحقق نتائج مماثلة.
وجد الباحثون أنه بإمكانهم تخليق الهيكل البلوري المطلوب بنجاح باستخدام طريقتهم السائلة، مما أدى إلى إنشاء مادة غنية بالزنك وفقيرة قليلاً بالنحاس، وهو توازن محدد يُعرف بقدرته على تحسين الأداء. وعندما فحصوا البلورات تحت مجاهر قوية وحللوا هيكلها الداخلي، اكتشفوا أن إضافة السيلينيوم غيرت الشكل الفيزيائي للمادة بشكل كبير. تسببت ذرات السيلينيوم في انكماش حبيبات البلورة بشكل كبير؛ ففي العينات المصنوعة من المواد الكيميائية القياسية، انخفض حجم الحبيبات من حوالي 32.8 نانومتر إلى 10.7 نانومتر فقط. وبالمثل، انكمشت الحبيبات في العينات المستمدة من المصادر المحلية من حوالي 195.9 نانومتر إلى 98.1 نانومتر. هذا التقلص في الحجم أدى إلى خلق سطح أكثر مسامية، وهو ما يعتقد الباحثون أنه يساعد المادة على حبس المزيد من الضوء ويقلل من كمية الضوء التي ترتد عن السطح.
كشفت الاختبارات البصرية أن هذا التغيير في الحجم والتركيب له تأثير مباشر على كيفية تفاعل المادة مع الضوء. فقد أدت إضافة السيلينيوم إلى إزاحة امتصاص المادة نحو الأطوال الموجية الأطول، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الإزاحة الحمراء" (redshift)، مما أدى فعلياً إلى خفض فجوة الطاقة التي تحتاج المادة لتجاوزها لتوليد الكهرباء. حققت العينة الأفضل أداءً، والمصنوعة من المواد الكيميائية القياسية والتي تحتوي على السيلينيوم، فجوة نطاق بلغت 1.16 إلكترون فولت، وهي الأدنى بين جميع العينات المختبرة. سمحت فجوة الطاقة المنخفضة هذه للخلية بحصد طيف أوسع من ضوء الشمس، مما أدى إلى كفاءة حصاد ضوئي بلغت 88.12 بالمائة. في المقابل، كانت العينات التي لا تحتوي على السيلينيوم ذات فجوات طاقة أعلى وحصدت ضوءاً أقل. كما أظهرت الدراسة أن العينات المحتوية على السيلينيوم كانت تحتوي على شوائب غير مرغوب فيها أقل، والمعروفة بالأطوار الثانوية، والتي يمكن أن تعيق تدفق الكهرباء؛ حيث بلغت نسبة الطور الثانوي في أفضل عينة 16.2 بالمائ في المائ فقط، وهي النسبة الأقل بين جميع المجموعات المختبرة.
وعندما اختبر الفريق الكهرباء الفعلية التي تولدها هذه الخلايا، أكدت النتائج فوائد إضافة السيلينيوم. فقد أنتجت الخلية الشمسية المصنوعة من مزيج السيلينيوم القياسي أعلى كفاءة إجمالية بلغت 0.166 بالمائ. ورغم أن هذا الرقم لا يزال بعيداً جداً عن كفاءة ألواح السيليكون التجارية، إلا أنه يمثل خطوة مهمة للأمام لهذا النوع المحدد من التصنيع منخفض التكلفة وغير المعتمد على الفراغ. كما حققت الخلية أعلى جهد وأفضل عامل ملء (fill factor)، وهو مقياس لمدى فعالية الخلية في تقديم الطاقة. ومن المثير للاهتمام أن الخلية المصنوعة من المواد المتوفرة محلياً كان أداؤها قريباً جداً من الخلية المصنوعة من المواد الكيميائية القياسية، حيث وصلت إلى 92 بالمائ من كفاءة العينة الأفضل. وهذا يشير إلى أن المواد الكيميائية المستوردة باهلة الثمن ليست ضرورية تماماً لتحقيق نتائج جيدة، شريطة التحكم في عملية التخليق بدقة.
أشار الباحثون إلى أن الأداء كان محدوداً بسبب الكمية العالية من المواد غير المتبلورة (amorphous)، أو غير البلورية، في أفلامهم، وهو ما حدث لأنهم لم يستخدموا معالجة غازية محددة أثناء عملية التسخين. هذا النقص في الهيكل البلوري المثالي يعني أن الخلايا لا يمكنها بعد الوصول إلى كامل إمكاناتها. ومع ذلك، نجحت الدراسة في إثبات تصميم خلية شمسية جديدة لا تستخدم طبقة خلفية من الموليبدينوم، وهي مادة يصعب الحصول عليها ومكلفة. بدلاً من ذلك، استخدموا طبقة موصلة شفافة أرخص وأسهل في الحصول عليها. يثبت هذا العمل أنه من الممكن بناء خلية شمسية وظيفية باستخدام طريقة بسيطة تعتمد على المحاليل والمواد الخام المتوفرة محلياً. ومن خلال إظهار أن السيلينيوم يمكن أن يقلل حجم الحبيبات، ويخفض فجوة الطاقة، ويقلل الشوائب، توفر الدراسة مساراً واضحاً لتحسين كفاءة هذه الخلايا الشمسية متوفرة العناصر في المستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.