تنظيم حركية التفاعل الهيدروحراري بواسطة كبريتيد الصوديوم لخلايا شمسية Sb2(S,Se)3 بكفاءة معتمدة 10.7%

مواد شمسية أذكى من أجل مستقبل أنظف

تزداد لوحات الطاقة الشمسية رخصاً وشيوعاً، لكن كل نسبة إضافية من الكفاءة لا تزال مهمة لخفض انبعاثات الكربون وتقليل تكاليف الطاقة. تركز هذه الدراسة على نوع جديد من المواد الشمسية المصنوع من عناصر متوفرة—النتروجين؟ (ملاحظة: قصدي أن أقول ‘‘الانتيمون’’)، الكبريت والسيلينيوم—وتُظهر كيف أن ضبط عملية نمو مائية منخفضة الحرارة بدقة يمكن أن يستخرج المزيد من الطاقة من خلايا شمسية فائقة الرقة. من خلال فهم وإدارة الكيمياء داخل مفاعل ماء ساخن محكم الإغلاق، يدفع الباحثون هذه الأجهزة الصديقة للبيئة إلى كفاءة معتمدة تبلغ 10.7%، بينما يكشفون أيضاً قواعد تصميمية يمكن أن تساعد تقنيات الخلايا المزدوجة والمتكاملة مع المباني في المستقبل.

طبقة رقيقة واعدة وصديقة للبيئة

المادة الشمسية في صلب هذا العمل، المسماة سيلينوسلفيد الأنْتِمْون، جذابة لأنها تمتص ضوء الشمس بكفاءة عالية: طبقة بسمك بضع مئات من النانومترات—أقل بكثير من شعرة الإنسان—قادرة على التقاط معظم الضوء الساقط. يمكن ضبط «فجوة النطاق» الملونة عن طريق تغيير نسبة الكبريت إلى السيلينيوم، ما يجعلها مرشحة جيدة للتكديس فوق السيليكون في خلايا شمسية مزدوجة تتجاوز حدود كفاءة تصاميم الطبقة الواحدة الحالية. وبقدر أهميتها، يمكن تصنيعها عند درجات حرارة منخفضة نسبياً من محلول، باستخدام عناصر شائعة بدلاً من معادن نادرة أو سامة. جمع هذه الخصائص من الامتصاص القوي، وقابلية الضبط، وسهولة التصنيع جعل هذه المادة في مقدمة المرشحين للأغشية الشمسية الرقيقة للجيل القادم.

عندما تخلق الكيمياء السريعة عقبات خفية

لنمو هذه الأغشية الماصة للضوء، تستخدم مجموعات بحثية عديدة طريقة هيدروحرارية: يوضع زجاج مغطّى بطبقة «بذرة» رقيقة داخل وعاء مبطن بتفلون مملوء بالماء والأملاح المذابة، ثم يُسخن فتتكون بلورات على السطح. في الظروف الاعتيادية، يتفاعل مصدر الأنْتِمْون مع ملح يحمل الكبريت بسهولة، بينما يُطلَق السيلينيوم من جزيء عضوي مضاف فجأة على شكل دفعة. تُظهر المجموعة أن هذا اندفاع السيلينيوم يجعل قاع الغشاء أكثر غنى بالسيلينيوم والسطح أعرض بالكبريت، فتنشأ تدرجات تركيبية رأسية. تكشف صور الميكروسكوب عن فراغات وبنية غير متناسقة قرب القاع، وتؤكد خرائط الانبعاث الضوئي أن المشهد الطاقي داخل الغشاء ينحني بطريقة غير مرغوبة، مجبرةً حاملي الشحنة على تسلّق «تلّ» طاقي أثناء محاولتهم الوصول إلى الموصل الخارجي.

استخدام ملح بسيط لضبط عملية النمو

الابتكار الرئيسي هو إضافة كمية صغيرة من كبريتيد الصوديوم إلى محلول المقدّمات. يرفع هذا الكبريتيد الإضافي بشكل لطيف ويُثبّت حموضة السائل ويغير كيفية تكوّن وتفاعل الأنواع الحاوية على الكبريت والسيلينيوم مع مرور الوقت. بدلاً من اندفاع مفاجئ للسيلينيوم يليه نفاد، يصبح إطلاقه تدريجياً وثابتاً. كنتيجة لذلك، يُدمَج الكبريت والسيلينيوم بشكل أكثر توازناً أثناء نمو الغشاء، ما يعطي تركيباً شبه موحّد من واجهة القاع إلى السطح العلوي. تُظهر مجاهر الإلكترون ورسم الخرائط العنصري أن الفراغات البنيوية تختفي إلى حد كبير وأن نسبة الكبريت/السيلينيوم تصبح ثابتة على العمق. وفي الوقت نفسه، يساعد الكبريتيد الإضافي على تحويل المنتجات الجانبية الغنية بالأكسجين غير المرغوب فيها إلى الكالكوجينيد المرغوب، مطهّراً الغشاء أثناء تشكله.

مسارات أنظف للشحنات وفخاخ طاقية أقل

تعيد هذه التحسينات البنيوية والتركيبية تشكيل كيفية تعامل المادة مع الشحنات الناتجة عن ضوء الشمس بشكل مباشر. تُظهر قياسات مفصّلة لانبعاث الضوء عبر مقطع عرضي للغشاء أنه من دون المضاف، تنحني مستويات الطاقة بطريقة تعيق تدفق الحاملات الموجبة الشحنة (الثقوب) نحو الموصل الخارجي. مع كبريتيد الصوديوم، تصبح أحزمة الطاقة مسطّحة، مما يزيل هذا الحاجز فتتحرّك الثقوب بحرية أكبر. تكشف تجارب قياس العيوب المنفصلة أن كثافة حالات «الفخ» العميقة—المرتبطة بذرات كبريت مفقودة وذرات أنْتِمْون في مواقع خاطئة—تنخفض بحوالي ترتيبين من الحجم. تعني الفخاخ الأقل أحداث إعادة التركيب غير المشعة حيث تختفي الشحنات كحرارة، وترتفع تركيزات الحاملين الفعّالة ما يخفض المقاومة الداخلية. معاً، تعزّز هذه التغييرات كل من التيار ومعامل التعبئة في الأجهزة، رغم أن طبقة ماصة أرق قليلاً تسبب هبوطاً طفيفاً في الجهد.

من تهيئات كيميائية دقيقة إلى خلايا شمسية أفضل

من خلال تفكيك مسارات التفاعل في النمو الهيدروحراري لسيلينوسلفيد الأنْتِمْون ثم تبطيئها وتنعيمها عمداً بكبريتيد الصوديوم، يُظهر الباحثون أن تعديلات كيميائية متواضعة يمكن أن تُحدث أثراً كبيراً على أداء الخلايا الشمسية. تُقدّم الأغشية المحسّنة كفاءة تحويل طاقة تبلغ 11.02%، مع قيمة معتمدة مستقلة مقدارها 10.7%، مما يضع معياراً جديداً لهذه الفئة من الأجهزة. وعلى نحو أوسع، يبيّن العمل كيف أن السيطرة على كيمياء المحلول—لا فقط تكديس طبقات الجهاز—يمكن أن تقضي على التدرجات والعيوب الخفية التي تقيد الكفاءة. تقدّم هذه الرؤى خريطة طريق لتنقية المواد الشمسية المعالجة في درجات حرارة منخفضة والمصنعة من المحلول، مما يقربنا من أغشية شمسية رقيقة ومزدوجة الأداء بأسعار معقولة وعالية الكفاءة.

الاستشهاد: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية من سيلينوسلفيد الإنْتِمْونيوم, أغشية رقيقة هيدروحرارية, مضاف كبريتيد الصوديوم, تقليل العيوب في التحويل الضوئي, تقنية الخلايا الشمسية المزدوجة (تاندم)