نمذجة Silvaco TCAD والمحاكاة البصرية والتحسين للخلايا الشمسية التانديم ذات التيار العالي من البيروفسكايت و u-CIGS بكفاءات تتجاوز 30%

طاقة أنظف عبر حصاد أذكى لضوء الشمس

بينما تبحث العالم عن طرق لخفض انبعاثات الكربون مع تلبية الطلب المتزايد على الطاقة، تتعرض الألواح الشمسية لضغوط لتستخرج المزيد من كل شعاع من ضوء الشمس. تستكشف هذه الدراسة نوعاً جديداً من الخلايا الشمسية «التانديم» التي تكدس مادتين متقدمتين ماصتين للضوء، بهدف استخلاص كهرباء أكثر من نفس ضوء الشمس مع تجنب العناصر النادرة أو السامة مثل الرصاص والإنديوم. تستخدم الدراسة محاكاة حاسوبية مفصلة لتوضح كيف يمكن لتصميم من هذا النوع أن يحقق فعلياً كفاءات تتجاوز 30%، وهو تقدم كبير مقارنة بمعظم الألواح على الأسطح اليوم.

لماذا تعزز طبقات شمسية مكدسة الأداء

تستخدم الألواح الشمسية التقليدية طبقة واحدة ماصة للضوء، ما يعني أنها تلتقط الفوتونات التي تملك طاقة كافية فقط لعبور فجوة الطاقة لذلك المَادّة. تفقد الفوتونات ذات الطاقة الأعلى فائضها على شكل حرارة، بينما تمر الفوتونات ذات الطاقة الأدنى مباشرة، وكلا الحالتين تمثل ضياعاً للضوء. تتعامل الخلية التانديم مع هذا عن طريق تكديس مادّتين مختلفتين ماصتين. تُضبط الطبقة العلوية لالتقاط الجزء الأزرق والأكثر طاقة من الطيف، بينما تُضبط الطبقة السفلية لالتقاط الضوء الأحمر والأقل طاقة الذي يمرّ عبر الطبقة العلوية. وبما أن كل طبقة تعمل أقرب إلى نطاق الطاقة المثالي لها، يمكن للجهاز المجمّع أن يحوّل جزءاً أكبر من ضوء الشمس إلى كهرباء مفيدة.

بناء تانديم أكثر خضرة: خالٍ من الرصاص والإنديوم

يصمم المؤلفون جهازاً مكوَّناً من طبقتين تكون الخلية العلوية منه مصنوعة من بيروفسكايت خالٍ من الرصاص يُدعى ميثيلأمونيو بيسموث يوديد (MBI)، بينما تكون الخلية السفلية فيلمًا رقيقًا من نصف الناقل المعروف CIGS (سِلينايد النحاس والإنديوم والغاليم). لتجنب استخدام الإنديوم النادر في القطب الأمامي الشفاف، يستبدلون أكسيد القصدير المختزل بالإنديوم (ITO) بأكسيد القصدير المخدر بالفلور (FTO). لا يقتصر دور FTO على تفادي مخاوف التوريد فحسب، بل يتحمّل درجات حرارة أعلى والتآكل الميكانيكي أيضاً، مما يجعله جذاباً للتصنيع على نطاق واسع. تصل الخلية المفردة المحاكاة من نوع MBI مع FTO إلى كفاءة تفوق 15% بمفردها، ما يضع أساساً متيناً لتكديسها فوق طبقة CIGS السفلية.

كيف يكشف الضبط الدقيق عن كفاءة عالية

لا يضمن تكديس خلية فوق أخرى تحسناً في الأداء: يجب أن توفر الخليتان الفرعيتان نفس التيار الكهربائي عندما تكونان موصولتين على التوالي، وإلا ستقيد الأضعف الأداء الكلي. لحل هذه المسألة، يستخدم الباحثون بحثاً رقمياً على خطوتين لضبط سمك طبقة MBI بحيث يتطابق التيار الصادر من الخليتين العلوية والسفلية ضمن هامش صغير جداً. كما يقومون بنمذجة كيفية ارتداد الضوء وتداخله وامتصاصه أثناء مروره عبر كل طبقة — من الغطاء الزجاجي وقطب FTO الأمامي، عبر البيروفسكايت وموصل رفيع جداً قائم على الذهب، وصولاً إلى فيلم CIGS والقطب الخلفي المعدني. وفي الوقت نفسه، يحسبون كيفية تحرك الإلكترونات والفجوات واندماجها وجمعها، مستخدمين نماذج فيزيائية تم التحقق من صحتها مقابل تجارب الخلايا المفردة الحقيقية.

ما تكشفه المحاكاة عن خلية التانديم

مع دمج هذه التفاصيل، يستخدم الجهاز التانديم المحاكى طبقة MBI بسماكة تقارب 420 نانومتراً فوق طبقة CIGS سميكة نحو 500 نانومتر. تمتص الخلية العلوية تقريباً كل الضوء ذي الأطوال الموجية الأقصر من نحو 650 نانومتر، بينما تمر الفوتونات ذات الأطوال الموجية الأطول وتلتقطها CIGS بكفاءة. النتيجة هي كثافة تيار مشتركة قريبة من 20 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع في كلا الطبقتين. تحت افتراضات مثالية حول كمال المواد والخسائر البصرية، يُنتج النموذج كفاءة تحويل للطاقة ملحوظة تقارب 36%. عند اعتماد المؤلفين لمستويات أكثر واقعية من العيوب وخسائر الواجهات، يستقر الأداء عند نحو 30%، لا يزال أعلى بكثير من معظم الألواح التجارية الأحادية الوصلة ويتوافق مع أفضل النماذج التانديمية المبلغ عنها في السنوات الأخيرة.

لماذا يهم هذا النهج للألواح الشمسية المستقبلية

للغير متخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن التصميم الذكي — بدلاً من فيزياء جديدة غريبة — يمكن أن يدفع الألواح الشمسية إلى ما وراء حدود الكفاءة الحالية. من خلال تكديس بيروفسكايت خالٍ من الرصاص ومُعدّل لامتصاص الضوء الأزرق فوق طبقة CIGS مُعدّة لامتصاص الضوء الأحمر، واستبدال الإنديوم النادر بزجاج FTO الأكثر متانة، يحدد المؤلفون مساراً نحو وحدات شمسية أنظف وأكثر قوة واستدامة. تعمل محاكاةهم كخارطة طريق، موضحة أي سماكات طبقات ومواد أقطاب وجودات واجهات هي الأكثر أهمية. إذا تمكن علماء المواد من الاقتراب من هذه الشروط في المختبر والمصنع، فقد تصبح الألواح الشمسية القادرة على تحويل ثلث الضوء الوارد أو أكثر إلى كهرباء واقعاً عملياً، مما يساعد على تلبية الاحتياجات الطاقية العالمية بعدد أقل من الألواح، ومساحة أقل، وتأثير بيئي أقل.

الاستشهاد: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية التانديم, الطاقة الشمسية البيروفسكايتية, رقيقة الفيلم CIGS, مواد شمسية خالية من الرصاص, محاكاة الخلايا الشمسية