Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

ויסות קינטי של תגובת הידרותרמלית בעזרת גופרית נתרן לתאי שמש Sb2(S,Se)3 עם יעילות מאושרת של 10.7%

· חזרה לאינדקס

חומרי שמש חכמים לעתיד נקי יותר

פאנלים סולריים הופכים להיות זולים ושכיחים יותר, אבל כל אחוז יעילות נוסף עדיין משמעותי לצמצום פליטות הפחמן ולהורדת עלויות האנרגיה. מחקר זה מתמקד בסוג חדש של חומר שמש העשוי מיסודות שפע—אנטימון, גופרית וסלניום—ומראה כיצד כיוונון מדויק של תהליך גידול במים בטמפרטורות נמוכות יכול לסחוט יותר אנרגיה מתוך תאים סולאריים דקים במיוחד. בהבנת והכוונת הכימיה בתוך תג מחומם וסגור, החוקרים דוחפים את המכשירים האקולוגיים האלה ליעילות מאושרת של 10.7% ובו־זמנית מגלים חוקים עיצוביים שיכולים לסייע לטכנולוגיות טנדם ושילוב בבניין בעתיד.

Figure 1
Figure 1.

שכבת שמש דקה ומבטיחה, ידידותית לכדור הארץ

חומר השמש במרכז העבודה הזו, המכונה אנטימון סלנוסולפיד, מושך תשומת לב כי הוא סופג אור שמש בצורה מצטיינת: שכבה בעובי רק כמה מאות ננו‑מטרים—דקה בהרבה משיערה אנושית—יכולה לקלוט את רוב האור הנכנס. "פתח הסרט" הניתן לכיול שלו ניתן לשנות על־ידי שינוי יחס הגופרית לסלניום, מה שהופך אותו למועמד טוב להנחה מעל סיליקון בתאי שמש טנדמיים שמעקפים את מגבלות היעילות של עיצובים חד‑שכבתיים כיום. חשוב לא פחות, ניתן לייצר אותו בטמפרטורות יחסית נמוכות מתוך תמיסה, תוך שימוש ביסודות נפוצים במקום מתכות נדירות או רעילות. שילוב של ספיגה חזקה, יכולת כיוונון ויכולת ייצור הפכו חומר זה לשחקן מוביל לדורות הבאים של שכבות סולאריות דקות.

כשכימיה מהירה יוצרת חסמים סמויים

לגידול השכבות הסופגות אור הללו, קבוצות רבות משתמשות בשיטה הידרותרמלית: זכוכית מצופה בשכבת "זרע" דקה מונחת בכלי מצופה טפלון המלא מים ומלחים מומסים, ואז מחוממת עד שהגבישים נוצרים על המשטח. בתנאים סטנדרטיים מקור האנטימון ומלח נושא‑גופרית מגיבים בקלות, בעוד שהסלניום ממולקולה אורגנית נוספת משתחרר בפתאומיות בהתפרצות. הצוות מראה שהתזזית הזאת של סלניום עושה את תחתית השכבה עשירה יותר בסלניום ואת החלק העליון עשיר יותר בגופרית, ובונה גרדיאנט קומפוזיציוני אנכי. תמונות מיקרוסקופיות חושפות רווחים ומבנה לא אחיד קרוב לתחתית, ומפות פליטת אור מאשרות שנוף האנרגיה בתוך השכבה מתעקם בכיוון בעייתי, מה שמכריח נשאי מטען חשמלי לטפס על "גבעת" אנרגיה כשמנסים להגיע למגע החיצוני.

שימוש במלח פשוט לריסון תהליך הגידול

החידוש המרכזי הוא הוספה של כמות קטנה של גופרית נתרן לתמיסת הפרקורסור. הגופריד הנוסף הזה מעלה ומייצב בעדינות את חומציות הנוזל ומשנה את אופן היווצרות והתגובה של מינים המכילים גופרית וסלניום לאורך זמן. במקום התפרצות פתאומית של סלניום ואחריה דלדול, השחרור נעשה הדרגתי ויציב. כתוצאה מכך, גופרית וסלניום משתלבים באופן יותר אחיד בעת גידול השכבה, וכתוצאה מתקבלת קומפוזיציה כמעט אחידה מהממשק התחתון עד פני השטח העליונה. מיקרוסקופ אלקטרונים ומיפוי יסודיים מראים שהרטיבים המבניים נעלמים ברובם ויחס גופרית/סלניום מתאזן בעומק. במקביל, הגופריד הנוסף מסייע להמיר תוצרי לוואי עשירים בחמצן לכולכגניה הרצויה, ומנקה את השכבה כשהיא נוצרת.

נתיבים נקיים יותר לנשאים ופחות מלכודות אנרגיה

שיפורים מבניים וקומפוזיציוניים אלה מעצבים ישירות את אופן התמודדות החומר עם מטענים הנוצרים מאור השמש. מדידות מפורטות של פליטת אור לאורך חתך השכבה מראות שבאף הוספת התוסף, רמות האנרגיה מתעקמות בצורה שחוסמת את זרימת הנשאים החיוביים (חורים) לכיוון המגע החיצוני. עם גופרית נתרן, רצועות האנרגיה מתיישרות, מסירות את המחסום כדי שהחורים יוכלו לנוע בחופשיות רבה יותר. ניסויי ספקטרוסקופיית פגם נפרדים חושפים שמסת צפיפות "מלכודות" עמוקות—הקשורות לאטומי גופרית חסרים ולאטומי אנטימון שזזו ממקומם—מוקטנת בכ‑כמעט שני סדרי גודל. פחות מלכודות משמעותן פחות אירועי קומבינציה לא־קרינתיים שבהם מטענים נעלמים כחום, וריכוז נשאים אפקטיבי גבוה יותר שמוריד התנגדות פנימית. יחד, שינויים אלה מגדילים הן את הזרם והן את גורם המילוי של המכשירים, אף ששכבה סופגת מעט דקה יותר גורמת לירידה קטנה במתח.

Figure 2
Figure 2.

מכיוונים כימיים עדינים לתאי שמש טובים יותר

על‑ידי ניתוח מדוקדק של מסלולי התגובה בגידול ההידרותרמלי של אנטימון סלנוסולפיד ואז האטה וחיזוקם באופן מכוון בעזרת גופרית נתרן, החוקרים מראים כי כוונונים כימיים צנועים יכולים להשפיע באופן רב על ביצועי השמש. השכבות המשופרות מספקות יעילות המרת כוח של 11.02%, עם ערך מאומת באופן עצמאי של 10.7%, וקובעות רף חדש עבור משפחת המכשירים הזו. באופן רחב יותר, העבודה ממחישה כיצד שליטה בכימיה של התמיסה—ולא רק בשכבות המכשיר—יכולה לחסל גרדיאנטים חבויים ופגמים המגבילים יעילות. תובנות אלה מספקות מפת דרכים לשיפור חומרים סולריים מעובדים בתמיסה ובטמפרטורה נמוכה, ומקרבות אותנו לעבר טכנולוגיות שכבה־דקה וטנדם בעלות נמוכה וביצועים גבוהים.

ציטוט: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb2(S,Se)3 solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

מילות מפתח: תאי שמש אנטימון סלנוסולפיד, שכבות דקות הידרותרמליות, תוספת גופרית נתרן, הפחתת פגמים בפוטו־וולטאי, טכנולוגיית שמש טנדמית