ألمانيا: تراجع كفاءة خلايا HJT القائمة على AZO بنسبة 16.38% تحت ظروف الحرارة الرطبة دون طلاء MgF₂

أخبار ar.wedoany.com، أظهرت دراسة أجراها مركز أبحاث يوليش الألماني (Forschungszentrum Jülich GmbH) أن الخلايا الشمسية غير المتجانسة (HJT) التي تستخدم أكسيد الزنك المشوب بالألمنيوم (AZO) بدلاً من أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) كطبقة أكسيد موصل شفاف (TCO) تكون أكثر عرضة لتدهور الأداء في البيئات الرطبة الحارة. وبعد إضافة طبقة تغطية من فلوريد المغنيسيوم (MgF₂) على سطح طبقة AZO، تم احتواء انخفاض الكفاءة ضمن حدود 7% تقريباً بعد 1000 ساعة من التعرض للرطوبة الحرارية.

وأوضح الباحثون أن طبقة AZO تنمو ببنية متعددة البلورات، مما يسهل اختراق جزيئات الماء بسرعة على طول الحدود الحبيبية، الأمر الذي يؤدي إلى تدهور الخصائص الكهربائية للمادة، مع تراجع في الموصلية والشفافية البصرية. ولتوضيح هذه الآلية، قام الفريق بدراسة التغيرات في الأداء الكهروضوئي والخصائص السطحية لخلايا HJT القائمة على AZO تحت ظروف الرطوبة الحرارية، باستخدام خلايا قائمة على ITO كمجموعة مرجعية للمقارنة.

في التجارب، قام الباحثون بتحضير طبقات من ITO أو AZO بسمك 70 نانومتر على السطحين الأمامي والخلفي لخلايا HJT ثنائية الوجه، كما تم ترسيب أغشية رقيقة مستقلة من ITO وAZO على ركائز زجاجية لمراقبة التغيرات في مادة الأكسيد الموصل الشفاف بشكل منفصل. بعد ذلك، تم دمج الخلايا في وحدات مصغرة أحادية الخلية بقياس 210 ملم × 210 ملم، باستخدام تصميمين للتغليف: الأول ببنية زجاج/زجاج مع لوحين زجاجيين بسمك 3.2 ملم على الجانبين، والثاني ببنية خفيفة الوزن تتكون من لوح أمامي من مادة الإيثيلين-رباعي فلورو الإيثيلين (ETFE) ولوح خلفي من البولي أوليفين المحتوي على الألمنيوم.

تم تصنيع كلا التصميمين باستخدام خلايا SHJ القائمة على ITO أو AZO، مع تحضير عينتين لكل تكوين. خضعت جميع العينات لاختبار تعتيق حراري رطب متسارع لمدة 1000 ساعة عند درجة حرارة 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85% وفقاً لمعيار IEC 61215، مع تسجيل الأداء الكهربائي وصور التلألؤ الكهربائي (EL) كل 200 ساعة، بالإضافة إلى إجراء قياسات لكفاءة التحويل الكمي الخارجي والانعكاسية.

أظهرت النتائج أنه بعد 1000 ساعة من التعرض للرطوبة الحرارية، انخفضت كفاءة خلايا HJT القائمة على AZO دون طلاء إضافي بنسبة 16.38% نسبياً، مع انخفاض نسبي في عامل التعبئة (Fill Factor) بنسبة 9.84%، وهو ما يرتبط ارتباطاً وثيقاً بارتفاع المقاومة التسلسلية (Rs). في المقابل، بلغ فقدان الكفاءة للخلايا القائمة على ITO خلال الفترة نفسها 2.80% نسبياً فقط، مما يدل على استقرارها الواضح.

أظهرت صور التلألؤ الكهربائي (EL) ظهور عيوب واضحة في الوحدات خفيفة الوزن القائمة على AZO، والتي تُعزى بشكل رئيسي إلى تغلغل الرطوبة وتآكل طبقة AZO؛ بينما لم تُلاحظ عيوب مماثلة في وحدات AZO ببنية زجاج/زجاج والأجهزة القائمة على ITO. ويشير ذلك إلى أن تغليف الزجاج/الزجاج يوفر حماية أقوى ضد الرطوبة، بينما تتمتع مادة ITO نفسها بمقاومة أفضل للرطوبة.

كشف التحليل الكيميائي عن زيادة في الأنواع المرتبطة بمجموعات الهيدروكسيل في AZO بعد التعرض للرطوبة الحرارية، مما يدعم فرضية التعديل الكيميائي الناجم عن الرطوبة. كما أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ظهور أخاديد تآكل على سطح AZO بعد التعتيق، بينما حافظت ITO على بنية موحدة وكثيفة.

لمعالجة هذا القصور في مقاومة الرطوبة، قام الباحثون بترسيب طبقة تغطية من فلوريد المغنيسيوم (MgF₂) بسمك 110 نانومتر على السطح الأمامي للخلايا القائمة على AZO. بعد إضافة هذه الطبقة الواقية، تم احتواء انخفاض الكفاءة ضمن حدود 7% تقريباً بعد 1000 ساعة، مع انخفاض كبير في عيوب التلألؤ الكهربائي مقارنة بخلايا AZO غير المغطاة. وأشار الفريق البحثي إلى أن MgF₂ يمكن أن يبطئ تغلغل الرطوبة والتآكل، لكنه لا يشكل حاجزاً كاملاً ضد الرطوبة، ولا تزال استقرارية الخلايا القائمة على AZO أدنى من المجموعة المرجعية القائمة على ITO.

نُشرت النتائج ذات الصلة في دورية "Solar Energy Materials and Solar Cells" تحت عنوان "Unveiling the damp-heat-induced degradation mechanism of AZO-incorporated silicon heterojunction solar cells and modules". وذكرت الورقة البحثية أن الدراسة كشفت آلية تدهور الخلايا الشمسية غير المتجانسة القائمة على AZO ومكوناتها تحت ظروف الرطوبة الحرارية، واقترحت استراتيجيات عملية لتعزيز متانتها وأدائها.