تطوير أغشية أكاسيد موصلة شفافة Zn1−xSnxO و Mg1−xSnxO لتطبيقات خلايا الشمس البيروفيسكايت

لماذا تهم الأقطاب الشفافة في الطاقة الشمسية

لوحات الطاقة الشمسية الحديثة تفعل أكثر من تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء؛ فهي أيضاً تبرز مواد ذكية تسمح بمرور الضوء مع الاستمرار في نقل التيار الكهربائي. يستكشف هذا البحث اثنين من هذه الطبقات الشفافة والموصلة المصنوعة من عناصر متوافرة بكثرة، بهدف استبدال المعيار الصناعي المكلف اليوم ودعم خلايا بيروفيسكايت أكثر أماناً وخالية من الرصاص.

طبقات شفافة جديدة مصنوعة من معادن شائعة

ركز الباحثون على أكاسيد موصلة شفافة، الطبقة الأمامية الشبيهة بالزجاج التي تسمح بمرور الضوء وتجمع الشحنة في العديد من الأجهزة، من شاشات الهواتف إلى الخلايا الشمسية. بدلاً من المواد المعتمدة على الإنديوم الشائعة والمكلفة والنادرة، أنشأوا بديلين بدمج أكسيد القصدير مع إما الزنك أو المغنسيوم. هذه الأغشية الجديدة، المسماة ZTO وMTO، صُنعت باستخدام تقنية رش بسيطة قادرة على تغطية صفائح زجاجية كبيرة دون الحاجة لمعدات تفريغ معقدة.

الرش، التسخين، وضبط خصائص الأغشية

لبناء الأغشية، ذاب الفريق أملاح المعادن في كحول ورشّ الضباب على زجاج ساخن، ثم خبز الأغشية عند درجات حرارة مرتفعة. من خلال تغيير نسبة الخلط بين الزنك أو المغنسيوم والقصدير بعناية، ثم إجراء علاجات حرارية، تمكنوا من التحكم في السُمك والبنية البلورية والعيوب الداخلية. أظهرت قياسات الأشعة السينية أن التسخين حسّن انتظام الذرات وقلّل العيوب، فيما كشفت المجاهر الإلكترونية عن حبيبات أكثر انتظاماً وتغطية أنعم بعد المعالجة الحرارية، وكل ذلك يساعد على سهولة انتقال الشحنة.

موازنة الشفافية والتوصيل

يجب أن تكون الطبقة الأمامية لخلية شمسية شفافة وعالية التوصيل في الوقت نفسه، وهما صفتان غالباً ما تتعارضان. أظهرت الاختبارات البصرية أن كلا من أغشية ZTO وMTO تسمح بمرور حوالي 76–80 بالمئة من الضوء المرئي، حتى بعد زيادة السُمك بما يكفي لنقل التيار بشكل جيد. وفي الوقت نفسه، أكدت القياسات الكهربائية أن الأغشية تنقل الشحنات السالبة بكفاءة، مع وصول أفضل الأغشية المعتمدة على المغنسيوم إلى تراكيز حاملة شحنة عالية جداً ومقاومة كهربائية منخفضة. أدت خطوة التسخين إلى تضييق طفيف في الفجوات الطيفية الضوئية وتقليل مجموعات كيميائية غير مرغوب فيها، تغييرات ارتبطت بتحسن نقل الشحنة دون التضحية بالكثير من الشفافية.

دمج الطبقات الجديدة في خلايا شمسية فعلية

لاختبار أداء هذه الطبقات عملياً، بنى الفريق خلايا شمسية بيروفيسكايت بسيطة باستخدام ممتص من كلوريد القصدير والسيزيوم الخالي من الرصاص وجه خلفي منخفض التكلفة من الجرافيت. لم يُختَر هذا التصميم لكسر أرقام كفاءة قياسية، بل لتسليط الضوء بوضوح على كيفية تأثير الطبقات الأمامية على الأداء. عندما حلت طبقات ZTO وMTO الجديدة محل الأقطاب الشفافة التقليدية، أنتجت الأجهزة طاقة قابلة للقياس تحت إضاءة معيارية. وصلت خلايا ZTO إلى كفاءات تحويل طاقة تقارب 3.5 بالمئة، بينما حققت خلايا MTO نحو 6.4 بالمئة، بفضل تيار أقوى وفولتية أعلى قليلاً.

ماذا يعني هذا لتقنية الطاقة الشمسية المستقبلية

تُظهر الدراسة أن الأغشية الشفافة والموصلة المصنوعة من القصدير والمغنسيوم يمكن أن تضاهي وضوح المواد المعيارية الحالية مع تقديم أداء كهربائي قوي واستخدام عناصر أكثر وفرة. من بين الخيارين المختبرين، أدت الأغشية القائمة على المغنسيوم أداءً أفضل داخل خلايا بيروفيسكايت العاملة، أساساً لأنها أوصلت الكهرباء بكفاءة أعلى مع السماح بمرور كثير من الضوء. وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة ليست جاهزة بعد للأسطح أو المحطات الكهروضوئية، فإن النتائج تشير إلى مسار واعد نحو وحدات شمسية أرخص وخالية من الإنديوم وربما أكثر أماناً تعتمد طرق رش قابلة للتوسع.

الاستشهاد: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

الكلمات المفتاحية: أكسيد موصل شفاف, خلايا بيروفيسكايت الشمسية, رذاذ الحرارة (سبراي بايروليسيس), أغشية أكسيد القصدير الرقيقة, أقطاب خالية من الإنديوم