بطاريات الخلايا الشمسية من نوع النحاس-جلين-سيلينيوم تصل كفاءتها إلى 12.28%، فريق ياباني يحقق رقمًا قياسيًا عالميًا

(المصدر: إنتلجنس إنتلجنس إنتلجنس)

حقق الباحثون اليابانيون كفاءة تحويل ضوئي تبلغ 12.28% في خلايا الشمس المصنوعة من كبريتيد الجاليوم والنيسيلين، وهو أعلى معدل تم الإبلاغ عنه ضمن نطاق فجوة الطاقة بين 1.65 و1.75 إلكترون فولت، وهو نطاق غير محتوي على الإنديوم ويشمل مواد الامتصاص ذات الحاجز العريض. تعتمد الوحدة على فيلم معدل بالتطعيم بالألمنيوم، وتدمج مجال السطح الخلفي وطبقة عازلة من كبريتيد الكادميوم المُحسنة لتحسين جهد الدائرة المفتوحة، وتقليل إعادة تجمع الحاملات، وبالتالي تحسين الأداء الكلي.

استخدم الباحثون في المعهد الوطني الياباني للعلوم والتقنية الصناعية المتقدمة، طبقة امتصاص من كبريتيد الجاليوم والنيسيلين (CuGaSe₂) لإنتاج خلايا شمسية، وحققوا كفاءة تحويل بلغت 12.28%.

يُعد كبريتيد الجاليوم والنيسيلين نوعًا من أشباه الموصلات ينتمي إلى عائلة معدن الزنجفر، وهو مرتبط ارتباطًا وثيقًا بمواد خلايا الشمس من نوع CIGS (كبريتيد الكوبالت والإنديوم والجاليوم). وهو مادة مثالية لطبقة الامتصاص في خلايا الشمس، لأنه كنوع من أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة، يبلغ فجوتها حوالي 1.68 إلكترون فولت، مما يسمح بامتصاص فعال للضوء المرئي. بالإضافة إلى ذلك، يتميز كبريتيد الجاليوم والنيسيلين بمعامل امتصاص عالٍ، مما يعني أن فيلمًا رقيقًا جدًا يمكنه امتصاص معظم الإشعاع الشمسي الساقط. كما يُظهر هذا المادة تحملًا جيدًا للعيوب، مما يساعد على تقليل إعادة تجمع الحاملات، مما يسمح لخلايا الشمس أن تحافظ على أدائها الجيد حتى لو لم تكن البنية البلورية مثالية تمامًا.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة، ماساكو إيزوكا، لمجلة “الطاقة الشمسية”: “يمكن اعتبار هذه الكفاءة أعلى قيمة مسجلة ضمن نطاق فجوة الطاقة بين 1.65 و1.75 إلكترون فولت، وهو نطاق المواد ذات الحاجز العريض، خاصة في مجال خلايا الشمس غير المحتوية على الإنديوم والمعدن الزنجفر (أو ما يُعرف بـ CIGS). وتفوقت على البيانات المسجلة في الجدول 3 من الإصدار 67 من مجلة ‘تقدم الطاقة الشمسية’، الخاص بأداء خلايا الكوبالت والجاليوم.”

وأضاف: “تم اعتماد أداء الوحدة بشكل مستقل من قبل مختبر معتمد للاختبارات، وهو مركز الأبحاث المتقدمة للطاقة المتجددة، وفريق المعايرة والقياس في المعهد الوطني الياباني للتقنية الصناعية (AIST) الخاص بالطاقة الشمسية.”

تم تحسين الوحدة استنادًا إلى تصميم الخلية الذي طوره باحثو المعهد الوطني الياباني للتقنية الصناعية المتقدمة (AIST) في عام 2024. من خلال إدخال الألمنيوم في المنطقة الخلفية لفيلم كبريتيد الجاليوم والنيسيلين، تم تعزيز جهد الدائرة المفتوحة، وعامل التعبئة، والكفاءة الكلية لتحويل الضوء إلى كهرباء. يُعزى هذا التحسين بشكل رئيسي إلى تكوين المجال السطحي الخلفي، الذي يعزز جمع الحاملات الأقلية.

تم تصنيع خلية الشمس ذات الرقم القياسي باستخدام تقنية ثلاثية المراحل لإعداد طبقة امتصاص من كبريتيد الجاليوم والنيسيلين، حيث تم إدخال الألمنيوم والفلوريد في المرحلة الأولى، وأضيفت معاملة إضافية من فلوريد الروديوم في المرحلة النهائية. من خلال ضبط توزيع عنصر الألمنيوم بدقة في طبقة الامتصاص، يهدف التصميم إلى زيادة جهد الدائرة المفتوحة مع تجنب التضحية بالكفاءة.

تُستخدم زجاجة الصوديوم والكالسيوم كأساس، وتُغطى بمعدن الموليبدينوم كقطب خلفي، ثم تُوضع فوقها طبقة امتصاص من معدن الزنجفر غير المحتوي على الإنديوم، وطبقة عازلة من كبريتيد الكادميوم بسمك 150 نانومتر، وطبقة نافذة من أكسيد الزنك، وإلكترود شبكي معدني.

بدأت عملية التصنيع برشّ طبقة من معدن الموليبدينوم على زجاجة الصوديوم والكالسيوم باستخدام تقنية الرش. ثم، تم ترسيب طبقة من كبريتيد الجاليوم والنيسيلين عبر عملية تسخين عالية، مع إدخال الألمنيوم في المنطقة الخلفية لتشكيل المجال السطحي الخلفي. يجب أن تمر طبقة الامتصاص بمعالجة بعد ترسيب المعادن القلوية، بهدف تثبيط العيوب وتحسين الخصائص الكهروكيميائية. بعد ذلك، أُضيفت طبقة عازلة من كبريتيد الكادميوم عبر عملية غمر كيميائية لتشكيل وصلة p-n. وأخيرًا، تم ترسيب طبقات أكسيد الزنك غير الموصلة والأكسيد المضاف بالألمنيوم، بالإضافة إلى القطب الأمامي باستخدام تقنية الرش.

مقارنةً مع الخلايا السابقة، أدى اعتماد تدرج تركيز الألمنيوم الأكثر حدة وزيادة سمك طبقة كبريتيد الكادميوم إلى تحسين جهد الدائرة المفتوحة وتقليل التفاعل على الواجهة. وأخيرًا، حققت الوحدة كفاءة تحويل بلغت 12.28%، مع جهد دائرة مفتوحة قدره 0.996 فولت، وكثافة تيار قصر الدائرة 17.90 مللي أمبير/سم²، وعامل تعبئة 68.8%.

وفي المقابل، حققت الوحدة التي أُنتجت في عام 2024 كفاءة قدرها 12.25%، مع جهد دائرة مفتوحة 0.959 فولت، وكثافة تيار قصر الدائرة 17.64 مللي أمبير/سم²، وعامل تعبئة 72.5%.

نُشرت نتائج هذه الدراسة في مقال بعنوان “تحقيق رقم قياسي جديد لكفاءة خلايا الطاقة الشمسية ذات فجوة طاقة 1.7 إلكترون فولت من خلال التنسيق بين التفاعل الداخلي والواجهات”، في مجلة “التقدم العلمي”.

قال ماساكو إيزوكا: “يركز عملنا على البحث والتطوير الأساسي لمواد ذات حاجز عريض تُستخدم كطبقة علوية في خلايا الطاقة الشمسية المركبة. يتطلب تصنيع الوحدة النموذجية تطوير خلايا أساسية مناسبة وتقنيات تكديس مناسبة. لذلك، لا تزال هذه الدراسة في المرحلة الأساسية، ولم تصل بعد إلى مرحلة التفكير في الإنتاج على نطاق واسع. نظرًا لأنها لا تزال في مرحلة البحث الأساسي، لم يتم إجراء تحليل تفصيلي للتكلفة بعد.”