العلماء يحلون مشكلة الخلايا الشمسية طويلة الأمد، مما يعزز الكفاءة بنسبة 30٪ تقريبًا

أدى إدخال طبقة أكسيد الجرمانيوم النانومترية إلى تحسين أداء الجهاز واستقراره بشكل كبير.

مع تسارع الطلب العالمي على الطاقة النظيفة، تستمر الطاقة الشمسية في جذب الاهتمام لأنها متاحة على نطاق واسع ويمكن توسيع نطاقها لتلبية الاحتياجات المتزايدة. وإلى جانب هذه الجهود، قام العلماء بشكل متزايد باستكشاف الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة كبديل لأجهزة السيليكون البلورية التقليدية. يمكن إنتاج هذه التصميمات الأقل سمكًا بتكلفة أقل، وتظهر نتائج تصنيع أكثر اتساقًا، كما أنها مناسبة تمامًا للاستخدام في التطبيقات الإلكترونية المرنة وخفيفة الوزن.

ومن بين المواد المرشحة، ظهر أحادي كبريتيد القصدير (SnS) كخيار قوي للجيل القادم من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. وهو غير مكلف وغير سام، مما يميزه عن التقنيات الأكثر رسوخًا التي تعتمد على عناصر محدودة مثل الإنديوم والجاليوم والتيلوريوم. وتتوافق الأجهزة المعتمدة على SnS أيضًا مع أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة، وبناءً على خصائصها الأساسية، يجب أن تكون قادرة على امتصاص ضوء الشمس بكفاءة.

ومع ذلك، من الناحية العملية، لم تحقق الخلايا الشمسية SnS بعد مستويات الأداء التي تنبأت بها النظرية. لقد تخلفت النتائج التجريبية باستمرار عن التوقعات، على الرغم من سنوات البحث والتحسين. تم العثور على إحدى العوائق الرئيسية في واجهة الاتصال الخلفية، حيث تلتقي طبقة SnS بالقطب المعدني.

عند هذا المنعطف الحرج، تنشأ عدة قضايا في وقت واحد. إن العيوب الهيكلية، والتفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها، والحركة غير المنضبطة للذرات، كلها تتداخل مع التدفق السلس للشحنات الكهربائية. تعمل هذه المشكلات معًا على تقليل مدى فعالية الجهاز في جمع الطاقة ونقلها، مما يضع حدًا كبيرًا على كفاءة الخلايا الشمسية بشكل عام.

استراتيجية هندسة الواجهة الجديدة

وفي ظل هذه الخلفية، حقق فريق بحث بقيادة البروفيسور جايونج هيو والدكتور راهول كومار ياداف من جامعة تشونام الوطنية بجمهورية كوريا، تقدمًا كبيرًا في تصميم الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. دراستهم، نشرت على الانترنت في صغيريصف نهجًا مبتكرًا يركز على إدخال طبقة رقيقة جدًا من أكسيد الجرمانيوم (GeO_س) بين جهة الاتصال الخلفية للموليبدينوم وطبقة امتصاص SnS.

استخدم الباحثون طريقة دقيقة وبسيطة لإنشاء GeO بسمك 7 نانومتر_س البينية. لقد استغلوا سلوك الأكسدة الطبيعي لطبقة Ge الرقيقة في عملية ترسيب نقل البخار، وهي عملية قابلة للتطوير وصديقة للصناعة.

“على الرغم من ذلك مقياس النانو “يوضح البروفيسور هيو أن هذه الطبقة البينية تعالج العديد من التحديات طويلة الأمد في وقت واحد. فهي تمنع العيوب الضارة العميقة المستوى، وتمنع انتشار الصوديوم غير المرغوب فيه، وتمنع تكوين مراحل ثاني كبريتيد الموليبدينوم المقاومة أثناء التصنيع في درجات الحرارة العالية.”

تعمل هذه التأثيرات المجمعة على تحسين جودة ممتص SnS بشكل كبير، مما يؤدي إلى حبيبات أكبر وأكثر تجانسًا، وتعزيز نقل الشحنة وتجميعها، وانخفاض كبير في فقد الكهرباء.

مكاسب الكفاءة والآثار الأوسع

تنفيذ هذا GeO الخاضع للرقابة_س أدت الطبقة البينية إلى زيادة كبيرة في كفاءة تحويل الطاقة، حيث زادت من 3.71% في الأجهزة القياسية إلى 4.81%. يمثل هذا أحد أعلى الكفاءات المُبلغ عنها للخلايا الشمسية المعتمدة على SnS المنتجة باستخدام طرق ترسيب البخار.

ومن الجدير بالذكر أن القدرة على هندسة واجهات مادية دقيقة لها آثار واسعة النطاق تتجاوز الخلايا الشمسية. على سبيل المثال، تحدد الواجهات المعدنية/أشباه الموصلات في ترانزستورات الأغشية الرقيقة مقاومة التلامس وأداء التبديل. وبالمثل، تعد خصائص الواجهة البينية المواتية ضرورية لكفاءة تحويل الطاقة العالية في الأجهزة الكهروحرارية، والحساسية ونقل الشحنة في أجهزة الاستشعار، والاستقرار الميكانيكي في الإلكترونيات المرنة، والأداء في أجهزة الكشف الضوئي وأجهزة الذاكرة.

يقول البروفيسور هيو: “في جميع هذه التطبيقات، يظل إتقان الواجهة المعدنية/أشباه الموصلات أمرًا أساسيًا لتطوير أجهزة الجيل التالي”. “نحن نعتقد أن هذا العمل سيفتح آفاقا جديدة للبحث، والمساهمة في تطوير الخلايا الشمسية المتقدمة وغيرها من التقنيات الرئيسية.”

المرجع: “تخميل الواجهة الخلفية الأمثل للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة SnS باستخدام طبقة بينية من أكسيد الجرمانيوم مُتحكم بها لتحسين الأداء الكهروضوئي” بقلم راهول ك. ياداف، فيشيش مانجوناث، يونج تاي كيم، جيريش يو كامبل، ووكيونج جيون، باراج آر باتيل، نيها بيشت، جين هيوك كيم، يوهان يون وجايونج هيو، 19 سبتمبر 2025, صغير.
دوى: 10.1002/smll.202507626

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.