فريق بحثي من جامعة نيو ساوث ويلز الأسترالية يطوّر خلايا شمسية من نوع CZTS بكفاءة 12.6%

أخبار ar.wedoany.com، تمكّن فريق بحثي من جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) من إنتاج خلايا شمسية ذات فجوة نطاق عريضة من مادة النحاس-زنك-قصدير-كبريت (CZTS) باستخدام استراتيجية للتحكم في العيوب، محققًا كفاءة تحويل للطاقة تبلغ 12.6%، مع جهد دائرة مفتوحة يصل إلى 852.8 ملي فولت. تعمل هذه الاستراتيجية على تقليل فقدان جهد الدائرة المفتوحة في خلايا CZTS من خلال تثبيت عنصر النحاس في المادة الأولية والحد من انتشاره إلى الخارج.

تعتمد تقنية الخلايا الكهروضوئية من نوع CZTS على عناصر وفيرة في القشرة الأرضية، إلا أنها عانت تاريخيًا من مشكلة فقدان الجهد الكبير. ويشير الباحثون إلى أن الجهد يُعد مؤشرًا مباشرًا على فقدان الطاقة الداخلية في الخلية الشمسية، حيث تعمل العيوب الضارة على خفض الجهد، ويلعب التحكم في العيوب دورًا حاسمًا في تحديد الكفاءة النهائية وكمية الطاقة المحولة من ضوء الشمس. ويُعد رفع الجهد الكهربائي لخلايا CZTS إلى ما فوق المستوى الحالي أمرًا بالغ الأهمية لإطلاق إمكاناتها الكاملة.

أظهرت الدراسات السابقة أن البيئة الكيميائية الفقيرة بالنحاس (Cu) والغنية بالزنك (Zn) يمكن أن تعزز تكوين العيوب المفيدة في خلايا CZTS، بينما تثبط العيوب التي تؤدي إلى إعادة تركيب حاملات الشحنة. ومع ذلك، فإن تكوّن مناطق غنية بالنحاس وفقيرة بالزنك داخل أغشية CZTS الرقيقة يغيّر البيئة الكيميائية المحلية، مما يعزز تكوين عيوب غير مرغوبة وأطوار ثانوية. وللتحكم في هذه العملية، سعى الفريق البحثي إلى تقوية روابط Cu–S في المادة الأولية بهدف تثبيت النحاس والحد من انتشاره إلى الخارج.

في الطريقة الأولية، استبدل الباحثون النحاس المعدني بكبريتيد النحاس الأحادي (Cu₂S) أثناء عملية الترسيب المتزامن (الترذيذ المتعاون). أظهرت قياسات مطيافية رامان ومطيافية الأشعة السينية الضوئية (XPS) أن المادة الأولية المعدّلة تمتلك روابط Cu–S أقوى، وانتظامًا بنيويًا أعلى، ودرجة أقل من الاضطراب الكاتيوني. غير أن استخدام Cu₂S طوال عملية الترسيب أدى إلى زيادة فقدان القصدير (Sn) أثناء عملية الكبترة، مما تسبب في ظهور عيوب وثقوب دقيقة في الطبقة الماصة، مما جعلها غير مناسبة لتصنيع الخلايا الشمسية. ثم لجأ الفريق البحثي بعد ذلك إلى استخدام النحاس المعدني في المراحل الأولى من ترسيب المادة الأولية، والتحول إلى Cu₂S في الدقائق الأخيرة، بهدف تثبيت النحاس بالقرب من السطح والحد من فقدان القصدير أثناء عملية الكبترة اللاحقة.

أدت العملية المحسّنة إلى تقليل انتشار النحاس إلى الخارج بشكل ملحوظ، وإنتاج توزيع أكثر تجانسًا للعناصر، وساهمت في الحفاظ على البيئة المحلية الفقيرة بالنحاس والغنية بالزنك خلال المراحل المبكرة من تبلور CZTS — أي في الوقت الذي يتشكل فيه هيكل العيوب في الطبقة الماصة. أظهرت قياسات التألق المهبطي (الإنارة الكاثودية) عند درجات حرارة منخفضة أن الطبقة الماصة المحسّنة تتمتع بإعادة تركيب غير إشعاعي أقل وحالات عيوب محلية عميقة أقل مقارنة بالعينة المرجعية، مع مساهمة أقوى للعيوب الضحلة في انتقالات حاملات الشحنة، مما يشير إلى تحسن جودة العيوب.

حققت الخلايا الشمسية من نوع CZTS المصنّعة باستخدام نهج هندسة العيوب هذا كفاءة تحويل للطاقة تبلغ 12.6%، مع جهد دائرة مفتوحة يبلغ 852.8 ملي فولت، وكثافة تيار دائرة قصر تبلغ 21.0 مللي أمبير/سم²، وعامل تعبئة يبلغ 70.1%. وبلغت الكفاءة المعتمدة 12.36%، مع جهد دائرة مفتوحة مقداره 846.7 ملي فولت تم قياسه باستخدام مساحة فتحة قدرها 0.2021 سم². وحافظ الجهاز على استقرار أدائه بعد تخزينه لمدة 231 يومًا في مجفف مملوء بالنيتروجين.

ويشير الباحثون إلى أن هذا العمل يُظهر جهد دائرة مفتوحة يعادل 65.3% من حد شوكلي-كويزر (SQ)، في حين أن أجهزة النحاس-زنك-قصدير-كبريت ذات فجوة النطاق العريضة تحقق عادةً جهد دائرة مفتوحة يبلغ حوالي 60% من حد SQ المقابل. وأشارت الباحثة في UNSW، شياوجينغ هاو (Xiaojing Hao)، إلى أن استراتيجية التحكم في العيوب هذه تحمل قيمة مرجعية لتصميم وتحسين أشباه الموصلات المركبة الأخرى، حيث لا تقتصر مبادئ تصميمها على مادة CZTS فحسب، بل تنطبق على تطوير مواد مرشحة للخلايا العلوية في الخلايا الشمسية الترادفية — إذ يتطلب الأمر التصميم منذ مرحلة المواد الخام المختلطة مع الحفاظ على التوزيع المتجانس، وقد تختلف المواد الخام باختلاف نوع أشباه الموصلات، لكن مبادئ التصميم تظل ذاتها.

نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة «نيتشر إنيرجي» (Nature Energy) تحت عنوان: "Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells".