خلايا شمسية تندمونية أحادية من السيلينيوم/السيليكون: أول عرض وتحليل

1. المقدمة والنظرة العامة

تسيطر الخلايا الكهروضوئية السيليكونية على السوق لكنها تقترب من حد الكفاءة للوصلة المفردة (~26.8%). تقدم الخلايا الشمسية التندمونية، التي تضع خلية علوية ذات فجوة نطاق واسعة فوق خلية سفلية من السيليكون، مسارًا واضحًا لتحقيق كفاءات تتجاوز 30%. يقدم هذا العمل أول تكامل أحادي لخلية علوية من السيلينيوم (Se) مع خلية سفلية من السيليكون (Si). يُعد السيلينيوم، بفجوة نطاق مباشرة تبلغ ~1.8-2.0 إلكترون فولت، ومعامل امتصاص عالٍ، وبساطته العنصرية، مرشحًا واعدًا ولكنه راكد تاريخيًا، يعاد إحياؤه لتطبيقات التندمون.

2. بنية الجهاز وتصنيعه

2.1 بنية التكديس الأحادية

يُصنع الجهاز بشكل أحادي، مما يعني أن الخليتين العلوية والسفلية متصلتان كهربائيًا على التوالي عبر وصلة نفقية أو طبقة إعادة تركيب. الترتيب العام للطبقات من الأسفل إلى الأعلى هو:

• الخلية السفلية: ركيزة سيليكون بلوري من النوع n مع جهات اتصال انتقائية لحاملات الشحنة من بولي سيليكون المطعم (n+ و p+)، ومغطاة بطبقة ITO.
• الوصل البيني/وصلة النفق: حاسمة لإعادة تركيب حاملات الشحنة ذات المقاومة المنخفضة والشفافية البصرية.
• الخلية العلوية: مادة ماصة من السيلينيوم متعدد البلورات من النوع p.
• جهات الاتصال الانتقائية لحاملات الشحنة: طبقة انتقائية للإلكترونات (ZnMgO أو TiO2) وطبقة انتقائية للفجوات (MoO_x).
• القطب الأمامي: ITO مع شبكة من الذهب لجمع التيار.

2.2 اختيار المواد ومعالجتها

تتيح نقطة الانصهار المنخفضة للسيلينيوم (220 درجة مئوية) معالجة منخفضة الحرارة متوافقة مع الخلية السيليكونية الأساسية. يعد اختيار جهات الاتصال الانتقائية لحاملات الشحنة محوريًا. استخدمت الأجهزة الأولية ZnMgO، لكن المحاكاة حددت لاحقًا TiO2 كخيار أفضل لتقليل حواجز نقل الإلكترونات.

3. تحليل الأداء والنتائج

3.1 الأداء الأولي للجهاز

أظهر أول تندمون أحادي من Se/Si جهد دائرة مفتوحة (V_oc) واعدًا بلغ 1.68 فولت من قياسات suns-V_oc. يشير هذا الجهد العالي V_oc بقوة إلى جودة مادية جيدة واقتران فعال لفجوات النطاق، حيث يقترب من مجموع جهود الخلايا الفردية.

3.2 تحسين جهات الاتصال الانتقائية لحاملات الشحنة

أدى استبدال جهة اتصال الإلكترونات الأولية ZnMgO بـ TiO2 إلى زيادة قدرة الخرج بمقدار 10 أضعاف. يؤكد هذا التحسن الكبير على الدور الحاسم لهندسة الواجهة في الخلايا التندمونية، حيث يمكن للحواجز الطاقية الصغيرة أن تسبب اختناقات حادة في التيار.

3.3 مقاييس الأداء الرئيسية

• جهد الدائرة المفتوحة (V_oc): 1.68 فولت (suns-V_oc).
• عامل الملء الزائف (pFF): >80%. تشير هذه القيمة العالية، المشتقة من قياسات V_oc المعتمدة على مستوى الحقن، إلى أن الخسائر الأساسية هي مقاومة تسلسلية طفيلية، وليست خسائر إعادة تركيب أساسية داخل المادة الماصة.
• محدد الكفاءة: عامل ملء منخفض (FF) وكثافة تيار منخفضة (J_sc) بسبب حواجز النقل المحددة.

4. الرؤى التقنية والتحديات

4.1 حواجز النقل وآليات الفقد

التحدي الأساسي هو نقل حاملات الشحنة غير المثالي عبر الواجهات غير المتجانسة. كشفت محاكاة SCAPS-1D عن حاجز طاقي كبير عند جهة اتصال الإلكترونات الانتقائية (واجهة ZnMgO/Se)، مما يعيق استخلاص الإلكترونات. يتجلى هذا كمقاومة تسلسلية عالية، مما يحد من عامل الملء FF وJ_sc.

4.2 التصميم الموجه بالمحاكاة (SCAPS-1D)

كان استخدام SCAPS-1D، وهو محاكٍ قياسي لسعة الخلية الشمسية، أداة أساسية في تشخيص المشكلة. من خلال نمذجة مخطط نطاق الطاقة، تمكن الباحثون من تحديد الموقع الدقيق وارتفاع حاجز النقل، مما أدى إلى الاستبدال المستهدف لـ ZnMgO بـ TiO2، الذي يتمتع بمحاذاة أكثر ملاءمة لنطاق التوصيل مع السيلينيوم.

5. الرؤية الأساسية للمحلل: التفكيك رباعي الخطوات

الرؤية الأساسية: هذه الورقة ليست عن جهاز بطولة عالي الكفاءة؛ بل هي درس متقن في الهندسة التشخيصية. أخذ المؤلفون نظامًا ماديًا ناشئًا ذا إمكانات عالية (Se/Si) وحددوا بدقة نقطة ضعفه الأساسية - نقل الواجهة - باستخدام مزيج من القياسات الذكية والمحاكاة. القصة الحقيقية هي المنهجية، وليس رقم الكفاءة الرئيسي.

التدفق المنطقي: المنطق لا تشوبه شائبة: 1) بناء أول جهاز أحادي على الإطلاق (إنجاز بحد ذاته). 2) ملاحظة جهد V_oc واعد ولكن عامل ملء FF ضعيف. 3) استخدام suns-V_oc لعزل المقاومة التسلسلية كمسبب رئيسي (pFF >80% هي نقطة بيانات حاسمة). 4) استخدام SCAPS-1D لتصور حاجز الطاقة المعيق. 5) تبديل المواد (ZnMgO→TiO2) وتحقيق زيادة بمقدار 10 أضعاف. هذا هو حل المشكلات النموذجي.

نقاط القوة والضعف: القوة هي النهج الواضح تمامًا، القائم على الفيزياء أولاً، لتحسين الجهاز. العيب، الذي يعترف به المؤلفون بصراحة، هو أن هذا يبقى جهازًا ذا تيار منخفض. الجهد العالي V_oc جذاب، ولكن دون حل الخسائر البصرية (المرجح أنها كبيرة في طبقات poly-Se و ITO) ومزيد من هندسة جهات الاتصال، فإن سقف الكفاءة منخفض. مقارنة بالتحسين التجريبي السريع الذي نشهده في تندمونات البيروفسكايت/السيليكون، فإن هذا النهج أبطأ ولكنه ربما يكون أكثر أساسية.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للصناعة، الرسالة ذات شقين. أولاً، Se/Si هو مسار بحثي قابل للتطبيق يتمتع بمزايا بساطة فريدة. ثانيًا، مجموعة الأدوات الموضحة هنا - suns-V_oc، تحليل pFF، نمذجة SCAPS - يجب أن تكون قياسية لأي فريق يطور هياكل تندمونية جديدة. يجب على المستثمرين مراقبة الأعمال اللاحقة التي تعالج التصميم البصري وتظهر كثافة تيار >15 مللي أمبير/سم². حتى ذلك الحين، هذا منصة واعدة ولكنها في مرحلة مبكرة.

6. التحليل الأصلي: نهضة السيلينيوم في الخلايا الكهروضوئية

إن عودة السيلينيوم إلى الخلايا الكهروضوئية، كما هو موضح في هذا العمل، هي حالة رائعة لـ "المواد القديمة، حيل جديدة". لعدة عقود، أُهمل السيلينيوم في كتب التاريخ بصفته مادة أول خلايا شمسية صلبة، وظل في ظل هيمنة السيليكون الصناعية. إن إحياءه الأخير مدفوع بمتطلبات محددة لنموذج التندمون السيليكوني، حيث يكون شريك مستقر، ذو فجوة نطاق واسعة، وبسيط المعالجة هو الكأس المقدسة. بينما سرقت تندمونات البيروفسكايت/السيليكون الأضواء بارتفاع كفاءتها السريع، فإنها تواجه مشاكل الاستقرار ومحتوى الرصاص. كما لوحظ في مخطط NREL لأفضل كفاءة لخلية بحثية لعام 2023، تتصدر تندمونات البيروفسكايت/السيليكون في الكفاءة ولكن لها عمود منفصل لـ "الخلايا الكهروضوئية الناشئة"، مما يسلط الضوء على أسئلة الموثوقية المستمرة.

يضع هذا العمل السيلينيوم كبديل مقنع، وإن كان منافسًا أقل حظًا. تركيبته أحادية العنصر هي ميزة أساسية، تزيل الصداع الناتج عن التناسب الكيميائي وانفصال الطور في أشباه الموصلات المركبة مثل CIGS أو البيروفسكايت. الاستقرار المبلغ عنه لأغشية السيلينيوم في الهواء هو فارق حاسم آخر، مما قد يقلل من تكاليف التغليف. إنجاز المؤلفين لجهد V_oc بقيمة 1.68 فولت ليس تافهًا؛ فهو يشير إلى أن الخلية العلوية من السيلينيوم ليست حلقة ضعيفة من حيث الجهد. يتوافق هذا مع حد التوازن التفصيلي لشوكلي-كويسر، الذي يظهر أن فجوة النطاق المثلى للخلية العلوية مع خلية سفلية من السيليكون هي حوالي 1.7-1.9 إلكترون فولت - أي في النطاق المثالي للسيلينيوم.

ومع ذلك، فإن الطريق المستقبلي صعب. فجوة الكفاءة مع التندمونات القائمة على البيروفسكايت شاسعة. تتابع المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) رقمًا قياسيًا لكفاءة تندمون البيروفسكايت/السيليكون يتجاوز 33%، بينما جهاز Se/Si هذا في مرحلته التوضيحية الأولى. التحدي الأساسي، كما يشخصه المؤلفون بمهارة، هو فيزياء النقل عند الواجهات غير المتجانسة. هذا موضوع شائع في مواد الخلايا الكهروضوئية الجديدة، يذكرنا بأبحاث الخلايا الشمسية العضوية المبكرة حيث كانت هندسة جهات الاتصال ذات أهمية قصوى. مستقبل تندمونات Se/Si يعتمد على تطوير مجموعة من مواد الاتصال المحاذية للنطاق والممررة للعيوب - وهو تحدٍ في علوم المواد مشابه للتحدي الذي واجهه مجتمع البيروفسكايت وحله جزئيًا بمركبات مثل Spiro-OMeTAD و SnO2. إذا تمكن السيلينيوم من الاستفادة من دروس هندسة الواجهة المكتسبة من مجالات الخلايا الكهروضوئية الناشئة الأخرى، فإن استقراره وبساطته الجوهرية يمكن أن يجعله منافسًا مظلمًا في سباق التندمون.

7. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

يعتمد التحليل على معادلات كهروضوئية رئيسية ومعلمات محاكاة:

1. طريقة Suns-V_oc: تقيس هذه التقنية V_oc كدالة لشدة الضوء، مفككة تأثيرات المقاومة التسلسلية عن خصائص الصمام الثنائي. العلاقة هي:
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
حيث $S$ هي شدة الشمس، $n$ هو عامل المثالية، $k$ هو ثابت بولتزمان، $T$ هي درجة الحرارة، و $q$ هي الشحنة الأولية. يكشف التركيب الخطي عن عامل المثالية.

2. عامل الملء الزائف (pFF): مشتق من بيانات suns-V_oc، ويمثل أقصى عامل ملء FF ممكن في غياب المقاومة التسلسلية ($R_s$) وخسائر التسريب ($R_{sh}$). يتم حسابه بتكامل خاصية التيار-الجهد المستخلصة للصمام الثنائي ($J_d-V$):
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
يشير pFF > 80% إلى أن جودة الوصلة الداخلية عالية، وأن الخسائر مقاومية في المقام الأول.

3. معلمات محاكاة SCAPS-1D: المدخلات الرئيسية لنمذجة تندمون Se/Si تشمل:
- السيلينيوم: فجوة النطاق $E_g = 1.9$ إلكترون فولت، ألفة الإلكترون $χ = 4.0$ إلكترون فولت، ثابت العزل $ε_r ≈ 6$.
- الواجهات: كثافة العيوب ($N_t$)، مقاطع الالتقاط ($σ_n, σ_p$) عند الواجهات غير المتجانسة.
- جهات الاتصال: دالة الشغل لـ ZnMgO (~4.0 إلكترون فولت) مقابل TiO2 (~4.2 إلكترون فولت) تؤثر بشكل حاسم على إزاحة نطاق التوصيل ($ΔE_c$) مع السيلينيوم.

8. النتائج التجريبية ووصف المخططات

وصف الشكل (بناءً على النص): من المرجح أن تحتوي الورقة على شكلين مفاهيميين رئيسيين.

الشكل 1: مخطط بنية الجهاز. رسم تخطيطي مقطعي يظهر التكديس الأحادي: "Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [وصلة النفق] / ZnMgO أو TiO2 (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au-grid". يوضح هذا الاتصال التسلسلي والتركيب المعقد للمواد المطلوب للتكامل الأحادي.

الشكل 2: مخططات نطاق الطاقة من SCAPS-1D. هذا هو الشكل التشخيصي الحاسم. سيعرض مخططين جنبًا إلى جنب:
أ) مع ZnMgO: "قمة" أو حاجز واضح في نطاق التوصيل عند واجهة ZnMgO/Se، مما يعيق تدفق الإلكترونات من المادة الماصة للسيلينيوم إلى جهة الاتصال.
ب) مع TiO2: محاذاة أكثر ملاءمة على شكل "منحدر" أو قمة صغيرة، مما يسهل الانبعاث الحراري ويقلل من حاجز نقل الإلكترونات. يفسر خفض هذا الحاجز مباشرة تحسن الأداء بمقدار 10 أضعاف.

منحنيات التيار-الجهد (J-V) الضمنية: يشير النص إلى أن الجهاز الأولي سيظهر منحنى J-V مميزًا "على شكل حرف S" أو منحنيًا بشدة بسبب المقاومة التسلسلية العالية. بعد استبدال ZnMgO بـ TiO2، سيصبح المنحنى أكثر استقامة، مع تحسن عامل الملء وكثافة التيار، وإن كان لا يزال محدودًا مقارنة بخلايا البطولة.

9. إطار التحليل: دراسة حالة غير برمجية

دراسة حالة: تشخيص الخسائر في خلية تندمونية جديدة

السيناريو: قامت مجموعة بحثية بتصنيع خلية تندمونية أحادية جديدة (المادة X على السيليكون). تظهر جهد V_oc عاليًا ولكن كفاءة منخفضة بشكل مخيب للآمال.

تطبيق الإطار (مستوحى من هذه الورقة):

1. الخطوة 1 - عزل نوع الخسارة: إجراء قياس suns-V_oc. النتيجة: pFF عالي (>75%). الاستنتاج: الوصلة الكهروضوئية نفسها جيدة؛ الخسائر ليست في المقام الأول من إعادة التركيب الداخلية أو عند الواجهة.
2. الخطوة 2 - قياس الخسارة المقاومية: الفرق بين القدرة المثالية من pFF والقدرة المقاسة يعطي خسارة القدرة المقاومية. تشير الفجوة الكبيرة إلى مقاومة تسلسلية عالية.
3. الخطوة 3 - تحديد موقع الحاجز: استخدام برنامج محاكاة الجهاز (مثل SCAPS-1D، SETFOS). بناء نموذج للتكديس. تغيير ألفة الإلكترون/دالة الشغل لطبقات جهات الاتصال الانتقائية لحاملات الشحنة بشكل منهجي. تحديد أي واجهة تخلق حاجز طاقة كبيرًا في مخطط النطاق تحت ظروف التشغيل.
4. الخطوة 4 - الفرضية والاختبار: الفرضية: "جهة اتصال الإلكترونات المادة Y لها إزاحة لنطاق التوصيل بقيمة +0.3 إلكترون فولت مع المادة X، مما يسبب حاجزًا معيقًا." الاختبار: استبدال المادة Y بالمادة Z، المتوقع أن يكون لها إزاحة قريبة من الصفر أو سالبة (منحدر).
5. الخطوة 5 - التكرار: قياس الجهاز الجديد. إذا تحسن عامل الملء FF وJ_sc بشكل ملحوظ، كانت الفرضية صحيحة. ثم الانتقال إلى أكبر خسارة تالية (مثل الامتصاص البصري، جهة اتصال الفجوات).

ينقل هذا الإطار المنظم القائم على الفيزياء ما وراء التجربة والخطأ وهو قابل للتطبيق مباشرة على أي تقنية تندمونية ناشئة.

10. التطبيقات المستقبلية وخارطة طريق التطوير

قصير الأجل (1-3 سنوات):

• هندسة جهات الاتصال: اكتشاف وتحسين طبقات نقل الإلكترونات/الفجوات الجديدة المصممة خصيصًا للسيلينيوم. يجب فحص أكاسيد المعادن المطعمة، الجزيئات العضوية، والمواد ثنائية الأبعاد.
• الإدارة البصرية: دمج هياكل حبس الضوء (التنقيش، المحزوزات) وتحسين الطلاءات المضادة للانعكاس لتعزيز كثافة تيار الخلية العلوية من السيلينيوم، التي من المحتمل أن تكون محدودة بالامتصاص غير الكامل أو الامتصاص الطفيلي في جهات الاتصال.
• ضبط فجوة النطاق: استكشاف سبائك السيلينيوم-التيلوريوم (SeTe) لضبط فجوة النطاق بدقة أقرب إلى القيمة المثالية 1.7 إلكترون فولت لتندمونات السيليكون، مما قد يحسن مطابقة التيار.

متوسط الأجل (3-7 سنوات):

• الترسيب القابل للتوسع: الانتقال من التبخير الحراري على نطاق المختبر إلى تقنيات قابلة للتوسع مثل ترسيب النقل البخاري أو الرش للسيليكون.
• تحسين وصلة النفق: تطوير طبقة وصل بيني عالية الشفافية، منخفضة المقاومة، وقوية يمكنها تحمل معالجة الخلية العلوية.
• معلم الكفاءة الأول: إثبات كفاءة معتمدة لخلية تندمون Se/Si >15%، مما يثبت أن المفهوم يمكن أن يتجاوز مرحلة إثبات المبدأ.

طويل الأجل وآفاق التطبيق:

• ثنائية الوجه والزراعة الكهروضوئية: الاستفادة من إمكانية شبه شفافية السيلينيوم (عن طريق التخفيف) في وحدات ثنائية الوجه أو أنظمة الزراعة الكهروضوئية حيث يكون نقل جزئي للضوء مرغوبًا فيه.
• الخلايا الكهروضوئية الفضائية: الصلابة الإشعاعية والاستقرار المبلغ عنهما للسيلينيوم يمكن أن يجعل تندمونات Se/Si مثيرة للاهتمام للتطبيقات الفضائية، حيث تكون الكفاءة والوزن في غاية الأهمية.
• مكانة منخفضة التكلفة: إذا تم إثبات قابلية التصنيع والكفاءة (>20%)، يمكن أن تستهدف تندمونات Se/Si قطاعات السوق حيث الاستقرار الشديد وسلسلة التوريد البسيطة تفوق التاج النهائي للكفاءة الذي تحتفظ به التقنيات الأخرى.

11. المراجع

1. Nielsen, R., Crovetto, A., Assar, A., Hansen, O., Chorkendorff, I., & Vesborg, P. C. K. (2023). Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells. arXiv preprint arXiv:2307.05996.
2. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Best Research-Cell Efficiency Chart. Retrieved from https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), 510-519.
4. Green, M. A., Dunlop, E. D., Hohl-Ebinger, J., Yoshita, M., Kopidakis, N., & Hao, X. (2023). Solar cell efficiency tables (Version 61). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 31(1), 3-16.
5. Todorov, T., Singh, S., Bishop, D. M., Gunawan, O., Lee, Y. S., Gershon, T. S., ... & Mitzi, D. B. (2017). Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world's oldest photovoltaic material. Nature Communications, 8(1), 682.
6. Youngman, T. H., Nielsen, R., Crovetto, A., Hansen, O., & Vesborg, P. C. K. (2021). What is the band gap of selenium? Solar Energy Materials and Solar Cells, 231, 111322.
7. Burgelman, M., Nollet, P., & Degrave, S. (2000). Modelling polycrystalline semiconductor solar cells. Thin Solid Films, 361, 527-532. (SCAPS-1D)