تمرير الثقوب الدقيقة للخلايا الشمسية السيليكونية واسعة النطاق وعالية الكفاءة باستخدام تماس معبر مؤكسد محفّز

لماذا تهم العيوب الصغيرة في الطاقة الشمسية

ألواح السيليكون الشمسية الحديثة جيدة بالفعل للغاية في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، لكن دفعها أقرب إلى حدودها الفيزيائية يتطلب فهم ما يحدث على مقاييس لا تُتصوَّر صغرها. تدرس هذه الدراسة بعمق أحد تصميمات الخلايا الشمسية الرائدة اليوم، المسمى TOPCon، وتكتشف أن ما كان يُعتقد أنه عيوب ضارة على مستوى الذرة يمكن، في الواقع، أن يتحول إلى ميزات مفيدة. من خلال تعلم كيفية التحكم في هذه «الثقوب الدقيقة» النانوية، يبيّن المؤلفون كيف يمكن بناء خلايا شمسية كبيرة جاهزة للمصانع وبكفاءة قياسية.

نوع جديد من الخلايا الشمسية السيليكونية

تغذي ألواح السيليكون الآن كل شيء من الأسطح إلى محطات الطاقة الصحراوية الضخمة، وتبرز خلايا TOPCon (تماس مؤكسد محفّز عبر النفق) كتكنولوجيا عمل رائدة. في هذه الأجهزة، يكون هناك طبقة رقيقة عازلة من أكسيد السيليكون محصورة بين رقاقة السيليكون الرئيسية وطبقة سيليكون مموّهة بكثافة تساعد على سحب الشحنات الكهربائية. يمكن لهذا التصميم، نظريًا، أن يقدّم كفاءات تحويل طاقة عالية جدًا بتكلفة منخفضة، مما يجعله جذابًا للبناء واسع النطاق المطلوب لتحقيق أهداف المناخ والحياد الكربوني. لقد أبلغت شركات ومعاهد بحثية بالفعل عن خلايا TOPCon بكفاءات تتجاوز 26%، وانخفضت أسعار الطاقة الصناعية في بعض المناطق إلى أجزاء بسيطة من سنت لكل كيلواط-ساعة.

لغز الفجوات المجهرية

بالرغم من هذه النجاحات، ظلت التفاصيل المجهرية لعمل خلايا TOPCon غامضة. على وجه الخصوص، ناقش الباحثون طويلاً دور «الثقوب الدقيقة» — بقع صغيرة حيث تنقطع طبقة الأكسيد ويمكن للمنطقتين السيليكونيتين أن تتداخلان بشكل أكثر مباشرة. كانت الحكمة التقليدية ترى أن هذه الثقوب الدقيقة سيئة إلى حد كبير: مناطق اختفت فيها الطبقة الواقية، مخلقة عيوبًا تسمح لمحمولات الشحنة بالالتقاطوالإعادة والتلاشي للطاقة. ومع ذلك، لم تتفق التجارب والنماذج الحاسوبية بالكامل حول مدى ضرر هذه الثقوب الدقيقة، أو عددها الذي يمكن تحمله قبل أن تتدهور الأداء. حدت هذه الشكوك من قدرة المصنعين على ضبط عملياتهم بدقة.

رؤية الواجهة ذرة بعي

لحل هذا اللغز، استخدم الفريق مجاهر إلكترونية متطورة قادرة على تصوير أعمدة ذرية فردية عند الواجهة بين رقاقة السيليكون والأكسيد وطبقة السيليكون متعدد البلورات. قارنوا خلايا TOPCon على مستوى صناعي اختلفت في الكفاءة بنحو 1.3 نقطة مئوية لكنها بدت متطابقة تقريبًا تحت الميكروسكوبات التقليدية. باستخدام دقة أعلى ورسم خرائط كيميائي، اكتشفوا أن ليس كل الثقوب الدقيقة متشابهة. بعض الثقوب تفتقر إلى الأكسجين تمامًا وتخلق تلامسًا مباشرًا سيليكون-سيليكون مليئًا بالعيوب؛ هذه تتصرف كـ «ثقوب إعادة التقارب» الحقيقية التي تضر أداء الجهاز. أما الأخرى فلا تزال تحتوي على ذرات أكسجين كافية لـ «تهدئة» الروابط المعلقة كيميائيًا، بينما تظل رقيقة بما يكفي للسماح بمرور الشحنات عبر النفق. يطلق المؤلفون على هذه الميزات المكتشفة حديثًا اسم «الثقوب الدقيقة الممرِّضة».

تحويل العيوب إلى ميزات

من خلال تقطيع الخلايا بعناية على طول اتجاهات مختلفة وعد هذه الهياكل الدقيقة، وجد الباحثون أن الأجهزة عالية الأداء تحتوي فعليًا على عدد هائل من الثقوب الدقيقة — على مستوى تريليونات لكل سنتيمتر مربع — أكثر بكثير من التقديرات السابقة. والأهم أن أفضل الخلايا يغلب عليها النوع الممرِّض. تُظهر النمذجة أن ما يهم أكثر ليس الحجم أو التباعد الدقيق للثقوب، بل مدى تهدئة أسطحها كيميائيًا. إذا كانت الثقوب الممرِّضة جيدة التهدئة، فإنها توفر الكثير من المسارات الكهربائية الصغيرة منخفضة المقاومة، محسنة تدفق الشحنات دون إدخال خسائر مفرطة. تدعم قياسات العمليات هذا الرأي: تظهر الخلايا الغنية بالثقوب الممرِّضة أوقات بقاء حاملة أطول، وجهود دارة مفتوحة أعلى، ومقاومة تماس أقل، وأداء موحد عبر رقائق صناعية كبيرة. باستخدام هذا النهج، يبرهن الفريق على خلايا بحجم تجاري بكفاءة معتمدة تبلغ 25.40% ومخرجات جهد ممتازة.

توجيه الجيل القادم من الخلايا الشمسية

تشير الدراسة إلى تحول في كيفية تفكير تقنيي الطاقة الشمسية حول العيوب في الواجهات. بدل السعي للقضاء التام على الثقوب الدقيقة، يصبح الهدف هندستها بحيث تبقى غنية بالأكسجين وناعمة كهربائيًا. تضع الدراسة محاور عملية — مثل درجة حرارة التأكسد، وإمداد الأكسجين، والمعالجات الحرارية اللاحقة — التي يمكن للمصنعين ضبطها لتفضيل الثقوب الممرِّضة على الضارة. للمتلقي العادي، الرسالة الأساسية هي أنه بالتحكم الدقيق في هياكل بعرض بضعة ملياري متر فقط، يمكن للمهندسين استخراج كهرباء أكثر من نفس ضوء الشمس، مما يخفض التكاليف ويسرع انتشار تقنيات الطاقة النظيفة.

الاستشهاد: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية السيليكونية, TOPCon, الثقوب الدقيقة, تمرير الواجهة, كفاءة الخلايا الضوئية