خلايا شمسية من ثنائي الكبريتيدات الانتقالية ذات تلامس انتقائي مزدوج للحامل

توليد الطاقة من مواد فائقة الرقة

تخيل لوحًا شمسيًا رقيقًا للغاية يكاد يكون شفافًا، ومع ذلك يمتص ضوء الشمس بقوة مفاجئة. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن تحويل صفائح من بلورات خاصة تبلغ سماكتها مليارات من أجزاء المتر إلى خلايا شمسية خفيفة الوزن وعالية القدرة. يوضح الباحثون طريقة جديدة لتوصيل هذه المواد فائقة الرقة بحيث تهدر طاقة أقل، وهي خطوة يمكن أن تساعد الألواح الشمسية المستقبلية على تغذية الأقمار الصناعية والمركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة حيث تكون كل غرام وكل واط مهمًا.

لماذا هناك حاجة لطبقات شمسية جديدة

معظم الخلايا الشمسية الحالية مصنوعة من ألواح سميكة نسبيًا من السيليكون أو أشباه الموصلات الأخرى. بالمقابل، يمكن لمواد ثنائي الكبريتيدات الانتقالية مثل WS2 أن تمتص الضوء المرئي بشكل ممتاز حتى عندما تكون بسماكة قليلة النانو مترات فقط. وهذا يجعلها جذابة للتطبيقات التي تكون فيها الخفة والمرونة حاسمة. ومع ذلك، عندما توضع هذه البلورات فائقة الرقة مباشرة مقابل أقطاب معدنية، تتجمع العديد من الشحنات المتولدة وتختفي كحرارة عند الواجهة. تؤدي عوامل مثل محاذاة الطاقة السيئة ووجود مسارات تيار غير مرغوب فيها إلى تقليل الجهد والكفاءة بشكل كبير مقارنةً بما تنبئ به النظرية البسيطة.

تصميم على شكل ساندويتش يوجّه الشحنات

لإصلاح ذلك، استعار الفريق أفكارًا من خلايا السيليكون والبيروفسكايت عالية الأداء، التي تستخدم «تلامسات انتقائية للحامل» توجه نوعًا واحدًا فقط من الشحنة الكهربائية. بنوا تراكبًا رأسيًا بسمك نشط يبلغ 10 نانومتر فقط: طبقة WS2 فائقة الرقة في المنتصف، وطبقة عضوية انتقائية للثقوب تُدعى PTAA أسفلها، وطبقة فلورينية انتقائية للإلكترون (C60) أعلاها، مغطاة بأقطاب معدنية. يمتص ضوء الشمس في طبقة WS2، وتم تصميم التلامسات الانتقائية بحيث تُسحب الإلكترونات نحو الأعلى إلى C60 وتُسحب الثقوب نحو الأسفل إلى PTAA، بينما يتم قمع إعادة الارتباط غير المرغوب فيها عند واجهات المعادن بشدة.

ضبط الطبقات لتدفق طاقة سلس

في النسخ المبكرة من الجهاز، كان منحنى الخرج الكهربائي ينحني على شكل حرف S، وهو علامة على أن أحد جانبي الخلية عمل كاختناق. أظهرت المحاكيات والتجارب أن طبقة C60 الانتقائية للإلكترون كانت أقل موصلية من طبقة PTAA، مما تسبب في تراكم الشحن وتقليل الطاقة. من خلال ترقيق طبقة C60 من 20 نانومترًا إلى 2 نانومتر فقط، حسّن الباحثون التوازن بين التلامسين بشكل كبير. وصلت الأجهزة النهائية إلى جهد دارة مفتوحة بقيمة 523 مللي فولت، ومعامل تعبئة 0.54، وكفاءة تحويل طاقة 2.4% تحت ضوء الشمس القياسي لورقة WS2 بسماكة 10 نانومتر فقط.

استكشاف كيفية انتقال الشحنات داخليًا

باستخدام حزم ليزر مركزة بدقة، صور الفريق كيفية انتشار التيار عبر الجهاز. وجدوا أن الشحنات المتولدة بعيدًا عن القطب المعدني يمكن جمعها أيضًا، ما يشير إلى أن الإلكترونات تسافر في المتوسط نحو 13 ميكرومتر قبل أن تعيد الارتباط — مسافة مدهشة مقارنةً بسماكة المادة الممتصة. أظهرت قياسات إضافية أن الشحنات الأقلية في WS2 تدوم نحو 100 بيكو ثانية، بينما دل سلوك الجهاز أن الشحنات الأكثرية تعيش فعليًا لفترة أطول بكثير لأنها تُستخرج بكفاءة بواسطة التلامسات الانتقائية. يساعد هذا الجمع بين مسافة السفر الطويلة والاستخراج الموجَّه الجهاز الفائق الرقة على حصد جزء كبير من الضوء الذي يمتصه.

ما الذي يحد الجهد وكيفية تحسينه

ثم سأل الباحثون إلى أي مدى تقترب أجهزتهم من الأداء النهائي الذي تسمح به المادة نفسها. من خلال دمج نماذج بصرية مع صيغ بسيطة تعتمد على زمن العمر، أظهروا أن قصر زمن بقاء الشحنات في TMDs متعددة الطبقات عامل رئيسي يحد الجهد. لطبقة WS2 بسماكة 10 نانومتر وعمر شحنة 100 بيكو ثانية، الحد النظري للجهد هو نحو 663 مللي فولت — أي أعلى بنحو 140 مللي فولت فقط عما حققوه بالفعل. لدفع الأداء إلى ما بعد ذلك، يقترحون تحسين نقاوة وبنية طبقات TMD لتمديد أعمار الحامل إلى نطاق الميكروثانية، ومزيدًا من تحسين مواد التلامس بحيث تتوافق مستويات الطاقة والموصلية فيها بشكل أفضل مع WS2 أو TMDs ذات صلة مثل WSe2.

طريق نحو خلايا شمسية عملية خفيفة الوزن للغاية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه العمل أن «أبوابًا أحادية الاتجاه» مصممة بعناية للشحنات الموجبة والسالبة يمكن أن تطلق أداءً أفضل بكثير من المواد الشمسية فائقة الرقة. تقدم خلية WS2 ذات التلامسين المزدوجين جهدًا وكفاءة محترمتين بالفعل لمادة ممتصة بهذه النحافة، ويمكن تطبيق مبادئ التصميم الأساسية هذه على TMDs الأخرى وطرق التصنيع على نطاق واسع. مع شحنات أطول عمرًا، وتلامسات محسنة، وهياكل احتجاز ضوئي مُحسّنة، قد تنافس هذه الخلايا الشمسية الريشية يومًا ما الألواح التقليدية بينما تقدم قدرة أكبر بكثير لكل وحدة وزن لمهام الفضاء والمركبات والإلكترونيات القابلة للارتداء.

الاستشهاد: Went, C.M., Tham, R.W., Jahelka, P.R. et al. Dual carrier-selective contact transition metal dichalcogenide solar cells. npj 2D Mater Appl 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00684-3

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية فائقة النحافة, ثنائي الكبريتيدات الانتقالية للمعادن, تلامسات انتقائية للحامل, خلايا ضوئية من WS2, طاقة عالية لكل وحدة كتلة