في إنجاز كبير في مجال التكنولوجيا الكهروضوئية، حقق باحثون من جامعة هيلمهولتز الألمانية -Zentrum Berlin (HZB) وجامعة Humboldt-رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا في كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 25.5% للخلية الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت-CIGS. يمثل هذا الإنجاز، المعتمد من قبل التثبيت الأوروبي لاختبار الطاقة الشمسية (ESTI)، أعلى كفاءة تم تسجيلها على الإطلاق لمجموعة المواد المحددة هذه ويمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير تقنيات الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.
العمارة الترادفية
هذا الجهاز قادر على تحقيق رقم قياسي عالمي في الكفاءة نظرًا لتصميمه الذي يستخدم كلاً من الخلية العلوية (البيروفسكايت) والخلية السفلية (CIGS) اللتين تشكلان معًا ما يُعرف باسم "البنية الترادفية المتجانسة". ولذلك فإن كل جزء من الخلية يمتص ويحول الطاقة الشمسية بأطوال موجية مختلفة ضمن الطيف الشمسي-أي أن الخلية العلوية تمتص الضوء عالي الطاقة (الأشعة فوق البنفسجية)؛ بينما تمتص الخلية السفلية الضوء منخفض الطاقة (الأشعة تحت الحمراء). ونتيجة لهذا الهيكل، فإن الجانب العلوي للخلية العلوية والجانب السفلي للخلية السفلية سوف يمتصان أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي بكفاءة أعلى مما يمكن أن يحققه أي جهاز بمفرده؛ وبالتالي خلق زيادة في الكفاءة الإجمالية عندما يعمل الجهازان معًا في ترتيب ترادفي.
الابتكارات التقنية وراء الاختراق
ولتحقيق هذا الرقم القياسي، قام الباحثون في جامعة HZB وجامعة-Humboldt بتحسين جوانب متعددة من بنية الجهاز بشكل منهجي. لقد استكشفوا الخلايا السفلية المعتمدة على CIGS- مع وجود فجوات نطاقية تم ضبطها بعناية تبلغ 1.05 فولت و1.1 فولت، إلى جانب طبقتين مختلفتين من سمك - أكسيد الزنك المطلي بالألومنيوم. سمحت لهم هندسة فجوة النطاق الدقيقة هذه بمطابقة الجيل الحالي بشكل أفضل بين الخلايا الفرعية العلوية والسفلية-وهو عامل حاسم في أداء الجهاز الترادفي.
أجرى الفريق أيضًا فحصًا شاملاً لمواد طبقة نقل الثقب، واختبار مجموعات مختلفة من أكسيد النيكل (NiOx) والطبقات الأحادية المجمعة ذاتيًا (SAMs). تلعب طبقات الواجهة هذه دورًا حاسمًا في استخلاص ناقلات الشحنة المولدة ضوئيًا مع منع خسائر إعادة التركيب-آلية الحد من الكفاءة الأساسية-في الخلايا الشمسية. ومن خلال تحديد التكوينات المثالية للواجهة، تمكن الباحثون في نفس الوقت من تحسين انتقائية الشحن وتقليل فقدان الطاقة عند نقاط الاتصال.
ولعل أبرز ما في الأمر هو قيام الفريق بتحسين تكوين الاتصال الانتقائي للإلكترون- من خلال التحكم بدقة في معدل التبخر الحراري الأولي للبوكمينسترفوليرين (C60) المترسب على طبقة تخميل رقيقة للغاية من فلوريد الليثيوم (LiF) بسمك 1 نانومتر. وقد أتاح هذا النهج المتطور ما وصفوه بـ "تكوين واجهة أكثر تحكمًا وتحسين المحاذاة الإلكترونية"، مما يدل على أن الهندسة النانوية لطبقات الاتصال يمكن أن تؤدي إلى مكاسب كبيرة في الأداء.
من خلية المختبر إلى الوحدة العملية
على الرغم من تحقيق كفاءة التسجيل على جهاز ذي مساحة صغيرة{{0} تبلغ مساحته 1.081 سم مربع، أثبت الباحثون أنه يمكن ترجمة التحسينات التي أجروها إلى تنسيقات أكبر. وباستخدام مجموعة مماثلة من المواد، قاموا بتصنيع وحدة-صغيرة بمساحة 2.25 سم² وحققت كفاءة تبلغ حوالي 19.7%. على الرغم من أن هذا يمثل انخفاضًا ملحوظًا في كفاءة الخلايا-الصغيرة، إلا أنه يقدم دليلًا مشجعًا على إمكانية توسيع نطاق الواجهة الأساسية واستراتيجيات الاتصال إلى ما هو أبعد من بيئة المختبر.
نقطة انطلاق، وليست الوجهة النهائية
ولعل الجانب الأكثر إثارة في هذا الإعلان هو ما يقترحه بشأن الإمكانات المستقبلية. وأشار الباحث في HZB غييرمو فارياس باسولتو إلى أن "الفيزياء الكامنة وراء بنية الخلية الحالية لدينا تشير إلى أن نسبة 25.5% ليست سوى علامة فارقة أولية". -لقد حقق الاختبار الداخلي لتصميمات مماثلة بالفعل كفاءات تصل إلى 27.5%، مما يعني أن مفهوم الجهاز الأساسي لا يزال يتمتع بإمكانات كبيرة غير مستغلة.
تم إجراء البحث كجزء من مشروع "SOLMATES"، وهو مبادرة بتمويل من الاتحاد الأوروبي-تقودها شركة HZB لاستكشاف تكامل تقنيات CIGS والبيروفسكايت. بلغ الرقم القياسي السابق لـ HZB في إطار هذا البرنامج 24.6%، مما يجعل القفزة إلى 25.5% خطوة مهمة، وإن كانت تدريجية، إلى الأمام.
الآثار المترتبة على صناعة الطاقة الشمسية
يحمل هذا الإنجاز معنى هامًا لصناعة الخلايا الشمسية. تتمتع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة-CIGS بالعديد من المزايا مقارنة بالخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة التقليدية-، مثل كونها مرنة، والقدرة على الأداء الجيد في ظروف الإضاءة الجزئية، وانخفاض تكاليف التصنيع. من خلال الجمع بين مزايا خلايا CIGS ومزايا خلايا البيروفسكايت، فإن خلايا CIGS لديها القدرة على استخدامها في تطبيقات جديدة في الإلكترونيات المرنة وBIPV، حيث لا يمكن استخدام خلايا السيليكون.
تشير نتائج الدراسة أيضًا إلى أن ترادفات البيروفسكايت-CIGS قادرة على المنافسة مع الأنظمة الترادفية المعتمدة على السيليكون-. بالإضافة إلى إمكانية تصنيعها باستخدام طبقة رقيقة فقط، يمكن أيضًا تصنيعها باستخدام أقل من ميكرومتر واحد من المادة. وسيوفر تصميمها الخفيف والمرن-فرصًا جديدة لاستخدامها في إنشاء-حلول متكاملة أو تطبيقات إلكترونية محمولة.
الطريق إلى الأمام
في حين أن نسبة 25.5% تعتبر إنجازًا جديرًا بالملاحظة، إلا أن الحد النظري للكفاءة لمركبات البيروفسكايت -ترادفية CIGS يتجاوز 30%. تشير الفجوة بين السجل الحالي وهذا السقف النظري إلى أن التحسينات الكبيرة لا تزال ممكنة من خلال التحسين المستمر لجودة المواد وهندسة الواجهة والإدارة البصرية. يوفر النهج المنهجي للفريق الألماني-استكشاف فجوات النطاق المتعددة ومجموعات طبقات النقل واستراتيجيات هندسة الاتصال-مخططًا منهجيًا للجهود المستقبلية.
مع استمرار صناعة الطاقة الشمسية العالمية في توسعها السريع، ستلعب الابتكارات في تكنولوجيا الخلايا الترادفية دورًا متزايد الأهمية في خفض تكلفة الكهرباء الشمسية. إن إنجاز الباحثين الألمان بنسبة 25.5% من الكفاءة لترادف البيروفسكايت-لا يمثل مجرد رقم قياسي عالمي جديد، ولكنه دليل على الإمكانات الاستثنائية التي تكمن عند تقاطع هذين النظامين الرائعين من المواد. نظرًا لأن النتائج الداخلية-تشير بالفعل إلى إمكانية الوصول إلى نسبة 27.5%، ومع بقاء الحد النظري أعلى بكثير، فإن الرحلة نحو كفاءة الطاقة الشمسية التحويلية الحقيقية لم تنته بعد.
