ליטוש והבניית משטח ללא מגע באמצעות לייזר לקראת תאי שמש טנדם כוללים-פרובסקייט בעלי יעילות גבוהה

להפוך את הלוחות הסולאריים ליעילים יותר

לוחות סולאריים נעשים זולים ונפוצים יותר, אך העיצובים המקובלים כיום מבזבזים חלק גדול מאנרגיית השמש כחום. אחת הדרכים המבטיחות להפיק יותר חשמל מאור השמש היא לערום שני תאים סולאריים זה על גבי זה, כל אחד מותאם לחלק שונה של ספקטרום השמש. המאמר מציג כיצד שיטת "ליטוש ללא מגע" חדשה באמצעות קרני לייזר יכולה לתקן חולשה מרכזית בתאי טנדם פרובסקייט כאלה ולדחוף את היעילות שלהם קרוב ל-30%, רמה מושכת עבור יישומים עתידיים על גגות, בתחנות כוח ובמכשירי נייד.

מדוע תאי פרובסקייט מצופים מתקשים

פרובסקייט הם חומרים בעלי מבנה קריסטלי שיכולים לספוג אור שמש ביעילות גבוהה וקלים לייצור מממסים. כדי לעקוף את גבולות היעילות של תאים בודדים, חוקרים מציבים פרובסקייט רחב-פס על גבי צר-פס, יוצרים טנדם פרובסקייט שלם. התא התחתון בעל הפס הצר צריך לאסוף את האור האדום ותת-אדום שעובר דרך התא העליון, וביצועו קובע ברובו את תקרת היעילות של הטנדם. לצערנו, שכבות עופרת–בתרכובת על בסיס בדיל (lead–tin) בעלות פס צר נוטות להיווצר עם משטחים מחוספסים ועשירים בפגמים. בדיל נוטה להצטבר ולהתחמצן בקרבת המשטח העליון, יוד נעדר באופן יחסי, והמשטח המפותל יוצר מגע גרוע עם שכבת חילוץ האלקטרונים. יחד, הבעיות האלה גורמות לנשיאת מטענים לשחזר במקום להיאסף, מה שמבזבז מתח וזרם.

ליישור בעזרת אור במקום נייר זכוכית

שיטות מקובלות לניקוי ויישור משטחים פרובסקייט מסתמכות על כימיקלים נוזליים או מגע פיזי, שני גורמים שיכולים לפגוע בשכבות השבריריות וקשים לשליטה על פני שטחים גדולים. בעבודה זו פיתחו החוקרים שיטת ליטוש באמצעות לייזר אולטרה-סגול בפולסים של פיקו-שניות שאינה נוגעת כלל בסרט. פולסים קצרים במיוחד מסירים רק את עשרות הננומטרים העליונים הפגומים, מושטים את המשטח תוך מזעור חימום של הקריסטל שבמתחת. מיקרוסקופיה מראה שהחספוס הממוצע יורד בכמעט פי שלוש, ומדידות כימיות חושפות כי עודפי בדיל והמחסור ביוד על המשטח מוסרים במידה רבה. עומק הליטוש ניתן לכוונון בעוצמת הלייזר ובמהירות הסריקה, והקבוצה מדגימה דיוק תת-ננומטרי וחזרתיות מצוינת על פני סדרות רבות.

שיחזור שכבת משטח בריאה יותר

ליטוש בלייזר עושה יותר מהסרה של בליטות; הוא משאיר משטח פרובסקייט עם הרבה "אתרי A" ריקים במבנה הקריסטלי — מקומות שבהם יונים אורגניים גדולים או יוני צזיום ממוקמים בדרך כלל. החוקרים מטפלים במשטח שנחשף זה בתמיסה המכילה ברומיד גואנידיניום, שיונים גדולים של גואנידיניום יכולים ליצור קשרי מימן חזקים ונוטים להאט תנועה יונית. יונים אלה ממלאים באופן סלקטיבי את האתרים הריקים סמוך למשטח, ומשחזרים אותו לשכבת פרובסקייט גואנידיניום–צזיום מסודרת יותר ופחות מותחת. בדיקות בקרני רנטגן ומיקרוסקופיה אלקטרונית מראות שעיוותים במבנה הסריג נעלמים וכמה הננומטרים העליונים מתרחבים מעט, תואם לגודל הגדול יותר של גואנידיניום. בדיקות אופטיות מגלות פליטת אור פוטולומיניסצנטית חזקה יותר וחיי נשאים ארוכים יותר, מה שמעיד על פחות פגמים ואחידות איכות הסרט על פני שטחים גדולים.

להמיר משטחים נקיים ליעילות גבוהה יותר

כאשר הצוות בונה מכשירים מלאים, היתרונות מצטברים. תאים בודדים בעלי פס צר שנעשו עם משטחים מלוטשים ומשוחזרים מראים מתח, זרם ופקטור מילוי גבוהים יותר מאשר בקרות בלתי מטופלות, ובנוסף מציגים היסטרזיס מופחת משמעותית — אינדיקציה שתנועת יונים וממשקים לא יציבים נשלטו. התא הטוב ביותר מבוסס עופרת–בדיל מגיע ליעילות המרה של 24.07%, עם אישור עצמאי של 23.47%, בתהליך שניתן להרחבה שאינו תלוי בקירור באמצעות אנטי-ממס. הערמת התא התחתון המשופר מתחת לפרובסקייט רחב-פס יוצרת טנדם פרובסקייט-שלם עם יעילות של 29.80% והתאמה חזקה בין הזרם הנמדד לתגובה ספקטרלית מפורקת. מכשירים גדולים ומיני-מודולים שיוצרו באותו גישה שומרים על יעילות גבוהה, וטנדם מכוסה שומר על כ-80% מהביצועים ההתחלתיים אחרי כ-650 שעות של פעולה רציפה.

מה זה אומר לעתיד האנרגיה הסולארית

על ידי שימוש בלייזר שאינו נוגע כדי להסיר בדיוק חומר פגום ואז שיחזור כמה הננומטרים העליונים להרכב פרובסקייט עמיד יותר, עבודה זו מתמודדת עם אחד צווארי הבקבוק המרכזיים בטנדם פרובסקייט מתקדמים: ממשק גס ובלתי יציב שמבזבז מטען. התוצאה היא סרטים חלקים יותר, חילוץ מטען נקי יותר, הפחתת נדידת יונים ויעילות שיא לטנדם פרובסקייט-שלם ללא שימוש באנטי-ממס. מאחר שהשיטה ניתנת לכיול, מהירה והתאימה לדרגות פס שונות ולמבני מכשיר משתנים, היא מציעה כלי רב-שימושי לדחיפת טכנולוגיית הפרובסקייט קרוב יותר לגבולות התיאורטיים ולפריסה בעולם האמיתי.

ציטוט: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

מילות מפתח: תאי שמש טנדם פרובסקייט, ליטוש משטח בלייזר, הנדסת ממשקים, פוטו-וולטאיקה יעילה גבוהה, טכנולוגיית סרט דק סולארית