طبقة عازل من أكسيد الأنتيمون للخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت ذات الوصلة المفردة والمزدوجة

طرق جديدة لالتقاط مزيد من ضوء الشمس

تقترب الألواح الشمسية من حدودها الفيزيائية، لذا فإن استخراج حتى نسبة صغيرة إضافية من ضوء الشمس قد يعني طاقة نظيفة أرخص. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لمادة غير معروفة جيدًا، أكسيد الأنتيمون، أن تجعل خلايا التانديم البيروفسكايت–السيليكون المتقدمة أكثر كفاءة وأسهل تصنيعًا بأحجام عملية.

لماذا تهدر خلايا التانديم الحالية الضوء

تكدس بعض الألواح عالية الأداء خلية بيروفسكايت فوق خلية سيليكون، ما يسمح لكل منهما بامتصاص شريحة مختلفة من طيف الشمس. بين هاتين الطبقتين توجد أفلام رقيقة جدًا توجّه الشحنات الكهربائية وتحمي المواد الحساسة أثناء المعالجة. مادة عازلة مستخدمة شائعًا، وهي شكل من أكسيد القصدير المطبق ذرة بذرة، تقوم بهذه الوظيفة جيدًا لكنها تتفاعل كيميائيًا مع طبقة البيروفسكايت. ولحماية البيروفسكايت، اضطر المهندسون إلى إضافة طبقة أكثر سمكًا من مادة كربونية تُدعى الفوليرين. هذه السماكة الإضافية مع ذلك تمتص ضوءًا أزرق وبنفسجي مفيدًا بدلًا من السماح له بالوصول إلى الطبقات الفعّالة، مما يسلب الجهاز التيار والكفاءة بهدوء.

طبقة واقية ألطف تسمح بدخول ضوء أكثر

استبدل الباحثون طبقة أكسيد القصدير التفاعلية بفيلم من أكسيد الأنتيمون مضافًا بواسطة التبخير الحراري البسيط. تحول هذه العملية مسحوق المادة بلطف إلى بخار ثم يترسخ كطبقة ناعمة، متجنبة الكيمياء القاسية التي تضر البيروفسكايت. وبما أن أكسيد الأنتيمون ألطف على الطبقة السفلية، فقد أمكن تقليل سمك فيلم الفوليرين فوق البيروفسكايت من 15 نانومترًا إلى 5 نانومترات فقط دون التضحية بالاستقرار. الفوليرين الأخف سمكًا يعني امتصاصًا طفيليًا أقل في نطاق الطول الموجي بين 300 و560 نانومترًا، مما يسمح لمزيد من ضوء الأزرق قصير الموجة بأن يتحول إلى كهرباء بواسطة خلية البيروفسكايت العلوية.

طرق خفية لشحنات كهربائية

بالمراقبة الدقيقة بواسطة مجاهر إلكترونية ومجسات كهربائية متخصصة، وجد الفريق أن فيلم أكسيد الأنتيمون ليس زجاجيًا بانتظام. بدلًا من ذلك يجمع بين مناطق غير متبلورة وبلورات مرتبة صغيرة. تصطف هذه النانوبلورات بطريقة تشكّل مسارات عمودية للإلكترونات، بينما يبقى المادة المحيطة غير المتبلورة أكثر عزلًا. تقترح قياسات إضافية أن العيوب المرتبطة بذرات الأنتيمون تخلق حالات طاقة تساعد الإلكترونات على عبور حاجز الطاقة بين الطبقات. معًا، تسمح هذه الميزات للشحنات بالتحرك بسرعة عبر العازل في الاتجاه المطلوب، مع حجب التسرب غير المرغوب جانبًا.

من الخلايا المخبرية إلى الألواح الأكبر

لإظهار أن أكسيد الأنتيمون عملي، اختبره الباحثون في خلايا بيروفسكايت مفردة وتانديمات بيروفسكايت–سيليكون كاملة. وصلت الخلايا المفردة ذات فجوات نطاق مختلفة إلى كفاءات عالية فوق 22 بالمئة، مع أفضلها عند 23.18 بالمئة، ما يضاهي أجهزة أكسيد القصدير المتقدمة المصنوعة بطرق مماثلة. عند دمجه في خلايا تانديم بمساحة سنتيمتر مربع واحد، رفعت طبقة العازل الجديدة كفاءة تحويل الطاقة إلى 30.28 بالمئة، بشكل أساسي بزيادة التيار من خلية البيروفسكايت العلوية بحوالي 1 ميللي أمبير لكل سنتيمتر مربع. والأهم أن النهج قَبِلَ التدرج: فقد وصلت وحدة مغلفة بالكامل ذات مساحة فتحة 64.64 سنتيمترًا مربعًا إلى كفاءة 28.16 بالمئة، مع قيمة مُعتمدة خارجيًا 27.70 بالمئة، وأظهرت تدهورًا طفيفًا أثناء تعرّض طويل للضوء واختبارات الحرارة.

ماذا يعني هذا للألواح الشمسية المستقبلية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية أن تغييرًا طفيفًا في طبقة شبه غير مرئية داخل الخلية الشمسية يمكن أن يترجم إلى مكاسب ملحوظة في كمية ضوء الشمس الملتقطة، دون أن يجعل التصنيع أكثر تعقيدًا أو هشاشة. يقدم أكسيد الأنتيمون وسيلة لحماية طبقات البيروفسكايت بلطف مع السماح بمرور مزيد من الضوء وحمل الشحنات بكفاءة، سواء في الخلايا الاختبارية الصغيرة أو الوحدات الأكبر. يجتمع هذا المزيج من كفاءة أعلى، واستقرار جيد، وتكلفة معالجة أقل ليشير إلى ألواح تانديم الشمسية التي قد تتجاوز كفاءة 35 بالمئة وتصبح جذابة للاستخدام التجاري الواسع.

الاستشهاد: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية بيروفسكايت, خلايا شمسية تانديم, أكسيد الأنتيمون, طبقة عازل, كفاءة شمسية