Effect of Porous Silicon-Based Vapor-Phase Etching on the Structural, Optical, and Electrical Properties of Multicrystalline Silicon Solar Cells
تُظهر هذه الدراسة أن عملية حفر بالطور البخاري حمضية، قابلة للتوسع وصديقة للبيئة، تُنشئ بفعالية طبقات من السيليكون المسامي على الخلايا الشمسية من السيليكون متعدد البلورات، مما يقلل بشكل كبير من الانعكاسية وفقدان إعادة الاتحاد لرفع كفاءة تحويل الطاقة من 8.80% إلى 11.50% مع القضاء على النفايات الكيميائية السائلة.
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
تخيل الشمس كطاهٍ عملاق وسخي يلقي باستمرار سلطة ضخمة من جزيئات الضوء فوق كوكبنا. الخلايا الشمسية هي الزبائن الجائعون الذين يحاولون التقاط أكبر قدر ممكن من تلك السلطة لتحويلها إلى كهرباء. ولكن هنا تكمن المشكلة: النوع الأكثر شيوعًا من الخلايا الشمسية، المصنوع من السيليكون متعدد البلورات، يشبه طاولة ذات سطح لامع ومصقول للغاية. عندما يصطدم الضوء بها، يرتد الكثير منه بعيدًا، مثل كرة تصطدم بمرآة، بدلًا من أن يتم التقاطه وأكله. وما يزيد الأمر سوءًا هو أن "الطاولة" نفسها فوضوية من الداخل، مليئة بالشقوق الصغيرة والحدود حيث تضيع مكونات التقاط الضوء أو تُهدر قبل أن تؤدي عملها. لقد حاول العلماء إصلاح ذلك لسنوات، وغالبًا ما كان ذلك عن طريق غمس الخلايا في حمامات كيميائية سائلة فوضوية لجعل سطحها خشنًا ومنع الضوء من الارتداد بعيدًا. لكن هذه الحمامات السائلة غالبًا ما تكون فوضوية، ومبددة، ويصعب التحكم فيها، وأحيانًا تسبب ضررًا للأجزاء المعدنية الحساسة للخلية الشمسية.
تحكي هذه الورقة قصة فريق من الباحثين قرروا تجربة نهج مختلف: بدلًا من غمس الخلايا الشمسية في حساء سائل، قرروا طهيها باستخدام "بخار" كيميائي. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء طبقة خاصة تشبه الإسفنج من السيليكون المسامي باستخدام الغاز فقط. تعمل هذه الطبقة كإسفنجة فائقة تمتص الضوء بدلًا من عكسه، بينما تقوم أيضًا بترقيع الشقوق الصغيرة داخل الخلية لمنع تسرب الطاقة. السؤال الكبير هو: هل يمكن لهذا الأسلوب "الجاف" بالبخار أن يعمل بنفس كفاءة الطرق "الرطبة" السائلة القديمة، ولكن دون الفوضى والنفايات؟
قام الباحثون، بقيادة حسن نوري وزملائه، بإعداد تجربة ذكية باستخدام غرفة مغلقة مليئة بمزيج من الأبخرة الحمضية. فكر في هذا الإعداد كأنه "ساونا" عالية التقنية. بدلًا من نقع الخلايا الشمسية في حوض من الحمض، وضعوا الخلايا على رف دافئ فوق وعاء من المواد الكيميائية المغلية. خلق الحرارة رذاذًا صاعدًا من أبخرة حمض الهيدروفلوريك وحمض النيتريك الذي لامس سطح الخلايا الشمسية بلطف. عمل هذا البخار كنحات مجهري، حيث قام بتآكل أجزاء صغيرة من سطح السيليكون لإنشاء نسيج يشبه الإسفنج مليء بالثقوب الصغيرة، المعروف باسم السيليكون المسامي. والأهم من ذلك، نظرًا لأن الخلايا لم تلمس السائل أبدًا، فإن التلامسات المعدنية في الخلف لم تتعرض للتآكل أو التلف.
كانت النتائج قصة نجاح كبيرة. فعندما فحصوا الخلايا الشمسية المعالجة، وجدوا أن السطح اللامع قد تحول. قبل المعالجة، كانت الخلايا تعكس حوالي 25% من الضوء الذي يصطدم بها، مما يعني أن ربع طاقة الشمس كانت ترتد وتذهب سدى. بعد المعالجة بالبخار، انخفض هذا الانعكاس بشكل كبير إلى ما بين 8% و12%. الأمر كما لو أن الخلية الشمسية انتقلت من ارتداء مرآة إلى ارتداء معطف من المخمل الأسود يبتلع الضوء. سمح هذا التغيير للخلايا بالتقاط طاقة أكبر بكثير، مما عزز كمية التيار الكهربائي التي يمكنها إنتاجها.
لكن السحر لم يتوقف عند مجرد التقاط الضوء فح fact. فقد عملت المعالجة بالبخار أيضًا كضمادة لإصابات الخلية الشمسية الداخلية. خلقت العملية طبقة غنية بروابط السيليكون-الهيدروجين، والتي اكتشفها الباحثون باستخدام أداة مطيافية ضوئية خاصة (FTIR). عملت هذه الروابط مثل الغراء، حيث سدت الشقوق الصغيرة والحدود داخل السيليكون متعدد البلورات حيث تضيع الطاقة عادةً. تم قياس تأثير "الشفاء" هذا من خلال التحقق من مدى قدرة الخلية على الاحتفاظ بشحنتها الكهربائية؛ حيث قفزت المقاومة لتسرب الطاقة (مقاومة التماس/الشنت) من حوالي 250 أوم إلى 780 أوم.
وعندما جمعوا كل ذلك معًا، أدت الخلايا الشمسية أداءً أفضل بكثير. ارتفع مقدار الكهرباء التي يمكنهم توليدها تحت ضوء الشمس القياسي (كثافة تيار الدائرة القصيرة) من 24.44 مللي أمبير/سم² إلى 28.61 مللي أمبير/سم². والأهم من ذلك، ارتفعت الكفاءة الإجمالية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء من 8.80% إلى 11.50%. استخدم الباحثون أيضًا تقنية مسح ليزر خاصة تسمى LBIC لرسم خريطة لسطح الخلية الشمسية، مؤكدين أن تأثير "الشفاء" كان قويًا بشكل خاص عند حدود الحبيبات—وهي الحواف الفوضوية حيث تلتقي بلورات السيليكون.
باختصار، تشير هذه الدراسة إلى أن استخدام بخار جاف محكوم لنحت الخلايا الشمسية يعد طريقة واعدة لجعلها تلتقط المزيد من الضوء وتفقد طاقة أقل. إنها تقدم بديلًا أنظف وأكثر قابلية للتوسع لطرق الحمامات السائلة الفوضوية المستخدمة حاليًا، مما يمهد الطريق مستقبلاً لألواح شمسية أرخص وأكثر كفاءة. ويؤكد المؤلفون أنه بينما كانت النتائج قوية، إلا أن هذا يعد اكتشافًا محددًا لهذا النوع من السيليكون متعدد البلورات وهذه الطريقة البخارية المحددة، مما يقدم أداة جديدة لصناعة الطاقة الشمسية لاستكشافها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.