שכבת בופר של חמצן אנטימון לתאי שמש פרובסקיט חד-ומולטי-חיבור

דרכים חדשות ללכידת יותר אור שמש

פאנלים סולאריים מתקרבים למגבלות הפיזיקליות שלהם, ולכן הוצאת אפילו חלק נוסף קטן מאור השמש יכולה לתרגם לחשמל נקי וזול יותר. המחקר הזה מראה כיצד חומר פחות מוכר, חמצן אנטימון, יכול להפוך תאים מתקדמים מסוג פרובסקיט–סיליקון ליעילים יותר ולהקל על ייצורם בגדלים שימושיים.

מדוע תאי טנדם כיום מבזבזים אור

חלק מהפאנלים הביצועים ביותר מיישמים שכבה של פרובסקיט מעל שכבת סיליקון, כך שכל אחת סופגת רכיב שונה בספקטרום השמש. בין השכבות נמצאים סרטים דקיקים מאוד שמנחים מטענים חשמליים ומגינים על חומרים עדינים בזמן העיבוד. חומר בופר נפוץ, צורת תחמוצת הבדיל שמופק אטום אחר אטום, עושה את העבודה היטב אך גם מגיב כימית עם שכבת הפרובסקיט. כדי להגן על הפרובסקיט, מהנדסים נאלצו להוסיף שכבה עבה יותר של חומר מבוסס פחמן שנקרא פולרין. אותה עובי נוסף סופג אור כחול וסגול שימושי במקום לאפשר לו להגיע לשכבות הפעילות, ובכך גוזל מההתקן זרם ויעילות באופן שקט.

שכבת מגן עדינה שמאפשרת כניסת אור רבה יותר

החוקרים החליפו את שכבת תחמוצת הבדיל המגיבה בשכבה של חמצן אנטימון שהונחה בתהליך אידוי תרמי פשוט. בתהליך הזה החומר הטחון משנה מצב לאיד ורבוי ומתעבה כציפוי חלק, ובכך נמנעת הכימיה הקשה שפוגעת בפרובסקיטים. מאחר שחמצן אנטימון עדין יותר כלפי השכבה שמתחתיו, ניתן לדלל את שכבת הפולרין מעל הפרובסקיט מ‑15 ננומטרים ל־5 ננומטרים בלבד בלי לפגוע ביציבות. פולרין דק יותר פירושו ספיגה פרזיטית פחותה בתחום האורך גל 300–560 ננומטר, מה שמאפשר ליותר אור קצר-גל להתממש לאנרגיה חשמלית על ידי תא הפרובסקיט העליון.

נתיבי מהירים נסתרים למטענים חשמליים

במבט מקרוב במיקרוסקופים אלקטרוניים ובמכשירים חשמליים מיוחדים מצאה הצוות כי סרט חמצן האנטימון אינו זכוכיתי באופן אחיד. במקום זאת הוא משלב אזורים אמורפיים עם גבישים מסודרים זעירים. ננומבטים אלה מסודרים כך שיוצרים מסלולים אנכיים לאלקטרונים, בעוד שהחומר האמורפי המקיף נשאר מבודד יותר. מדידות נוספות מצביעות על כך שדוּפקטים הקשורים לאטומי אנטימון יוצרים מצבים אנרגטיים שמסייעים לאלקטרונים לעבור את מחסום האנרגיה בין השכבות. יחד, התכונות האלה מאפשרות למטענים לנוע במהירות דרך הבופר בכיוון הרצוי, ועדיין לחסום זליגות לא רצויות לצדדים.

מתאיםיות ממבחנות מעבדה לפאנלים גדולים יותר

כדי להראות שחמצן אנטימון מעשי, החוקרים בדקו אותו גם בתאי פרובסקיט בודדים וגם בטנדרים פרובסקיט–סיליקון מלאים. תאים בודדים עם פתחים אנרגטיים שונים הגיעו ליעילות גבוהה מעל 22 אחוז, כשהטוב ביותר עמד על 23.18 אחוז, בהתאמה למכשירי תחמוצת בדיל מתקדמים שנעשו בשיטות דומות. כאשר שולב בשקי טנדם בגודל סנטימטר רבוע אחד, שכבת הבופר החדשה העלתה את יעילות המרת הכוח ל‑30.28 אחוז, בעיקר על ידי הגדלת הזרם מתא הפרובסקיט העליון בכ‑1 מיליאמפר לפרנטימטר רבוע. החשוב מכך — הגישה סקללה היטב: מודול מאוכלס מלא עם שטח פתיחה של 64.64 סנטימטרים רבועים הגיע ליעילות של 28.16 אחוז, עם ערך מאומת עצמאי של 27.70 אחוז, והציג שקיעת ביצועים מועטה במהלך חשיפות ממושכות לאור ובדיקות חום.

מבעד לעתיד הפאנלים הסולאריים

ללא מומחיות מיוחדת, המסר העיקרי הוא ששינוי עדין בשכבה כמעט בלתי נראית של תא סולארי יכול להתגלגל לרווחים ניכרים בכמה אור שמש נאסף, בלי להקשות על הייצור או לגרום לשבריריות מיותרת. חמצן אנטימון מציע דרך להגן בעדינות על שכבות הפרובסקיט תוך שהוא מאפשר כניסת אור רבה יותר ונשיאת מטענים ביעילות, הן בתאי בדיקה קטנים והן במודולים גדולים יותר. השילוב של יעילות גבוהה יותר, יציבות טובה ועלות עיבוד נמוכה מרמז על פאנלים טנדם שעשויים לעבור את רף ה‑35 אחוז יעילות ולהיות מושכים לשימוש מסחרי נרחב.

ציטוט: 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

מילות מפתח: תאי שמש פרובסקיט, תאי שמש טנדם, חמצן אנטימון, שכבת בופר, יעילות סולארית