سلول خورشیدی تاندوم مونولیتیک سلنیوم/سیلیکون: اولین نمایش و تحلیل

1. مقدمه و مرور کلی

فتوولتائیک‌های مبتنی بر سیلیکون بر بازار مسلط هستند، اما بازده تک‌اتصالی آنها در حال نزدیک شدن به حد نظری (حدود 26.8%) است. سلول‌های خورشیدی تاندم، که شامل قرار دادن یک سلول بالایی با شکاف انرژی وسیع بر روی یک سلول پایینی سیلیکونی است، مسیری روشن برای دستیابی به بازدهی بیش از 30% ارائه می‌دهند. این کار برای اولین بار یکپارچگی تک‌بلورییکپارچه تک‌بلوریسلنیوم با شکاف انرژی مستقیم حدود 1.8-2.0 الکترونولت، ضریب جذب بالا و ترکیب عنصری ساده، یک ماده امیدوارکننده اما از نظر تاریخی راکد است که امروزه به دلیل کاربردهای سلولهای تاندِم احیا شده است.

2. ساختار و آماده‌سازی قطعه

2.1 ساختار انباشته تک‌تراشه‌ای

این دستگاه به صورت تک‌پشته‌ای ساخته شده است، به این معنی که سلول بالایی و سلول پایینی از طریق یک اتصال تونلی یا لایه بازترکیب به صورت سری به هم متصل شده‌اند. ساختار لایه‌ای کلی از پایین به بالا به شرح زیر است:

• سلول پایینی: بستر سیلیکون کریستالی نوع n (c-Si) با تماس‌های انتخابی حامل‌های بار پلی‌سیلیکون دوپ شده (n+ و p+)، پوشیده شده با ITO در بالا.
• اتصال/پیوند تونلی: برای دستیابی به بازترکیب حامل‌های بار با مقاومت کم و شفافیت نوری حیاتی است.
• سلول بالایی: لایه جذب پلی‌سلنیوم (poly-Se) نوع p.
• تماس انتخابی حامل‌های بار: لایه انتخابی الکترون (ZnMgO یا TiO₂) و لایه انتخابی حفره (MoO_x).
• الکترود جلو: ITO و خطوط شبکه Au برای جمع‌آوری جریان.

2.2 انتخاب مواد و فرآیند

نقطه ذوب پایین سلنیوم (220°C) امکان استفاده از فرآیندهای دمای پایین سازگار با سلول سیلیکونی زیرلایه را فراهم می‌کند. انتخاب تماس انتخابی حامل‌های بار بسیار حیاتی است. دستگاه‌های اولیه از ZnMgO استفاده کردند، اما شبیه‌سازی‌های بعدی نشان داد که TiO₂در کاهش سد پتانسیل انتقال الکترون برتر است.

3. تحلیل عملکرد و نتایج

3.1 عملکرد اولیه دستگاه

اولین سلول تاندوم مونولیتیک سلنیوم/سیلیکون از طریق اندازه‌گیری شدت نور-ولتاژ مدار باز (suns-V_oc)، مقدار بالای1.68 Vولتاژ مدار باز (V_oc). این مقدار بالاV_ocنشان‌دهنده‌ی قوی کیفیت خوب مواد و تطابق مؤثر شکاف نواری است، زیرا به مجموع ولتاژ دو سلول تکی نزدیک است.

3.2 بهینه‌سازی تماس انتخابی حامل‌های بار

جایگزینی تماس الکترونیکی اولیه ZnMgO با TiO₂پس از آن، خروجی توانده برابر افزایش یافتاین بهبود قابل توجه نقش کلیدی مهندسی رابط را در سلول‌های تاندیم برجسته می‌کند، جایی که موانع انرژی کوچک می‌توانند به گلوگاه‌های جدی جریان منجر شوند.

3.3 شاخص‌های کلیدی عملکرد

• ولتاژ مدار باز (V_oc): 1.68 V (suns-V_ocاندازه‌گیری).
• ضریب پرکنندگی شبه (pFF): >80%。这个高值源自与注入水平相关的V_ocاندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که تلفات اصلی ناشی ازمقاومت سری پارازیتیاست و نه تلفات ترکیبی ذاتی درون لایه جذب.
• عوامل محدودکننده بازده: به دلیل موانع انتقال شناسایی شده، منجر به ضریب پرکنندگی (FF) و چگالی جریان (J_sc) پایینتر میشود.

4. بینش‌ها و چالش‌های فنی

4.1 موانع انتقال و مکانیسم‌های تلفات

چالش اصلی در انتقال غیرایده‌آل حامل‌های بار در رابط‌های ناهمگن نهفته است. شبیه‌سازی SCAPS-1D وجود یک مانع انرژی قابل توجه در محل تماس انتخابی الکترون‌ها (رابط ZnMgO/Se) را نشان می‌دهد که استخراج الکترون را مختل می‌کند. این امر به صورت یک مقاومت سری بالا ظاهر می‌شود که FF وJ_sc。

4.2 طراحی هدایت‌شده با شبیه‌سازی (SCAPS-1D)

استفاده از شبیه‌ساز استاندارد خازن سلول خورشیدی SCAPS-1D نقش کلیدی در تشخیص مسئله ایفا کرد. با شبیه‌سازی نمودار نوار انرژی، محققان توانستند مکان دقیق و ارتفاع سد انتقال را به‌طور دقیق شناسایی کنند و در نتیجه به‌طور هدفمند از TiO₂برای جایگزینی ZnMgO استفاده کنند، زیرا TiO₂هم‌ترازی نوار هدایت مطلوب‌تری با Se دارد.

5. بینش‌های تحلیلی کلیدی: روش چهار مرحله‌ای ساختارشکنی

بینش‌های کلیدی: این مقاله در مورد یک دستگاه قهرمانی با کارایی بالا نیست، بلکه درسی است دربارهمهندسی تشخیصدوره‌های درسی منتخب. نویسنده از یک سیستم مواد نوظهور و پرمخاطره (Se/Si) استفاده کرده و با ترکیب هوشمندانه سنجش‌شناسی و شبیه‌سازی، به‌دقت نقطه ضعف آشیل آن - انتقال فصل مشترک - را شناسایی کرده است. داستان واقعی درروش‌شناسیو نه اعداد کارایی در عنوان.

ساختار منطقی: منطق بی‌عیب: 1) ساخت اولین دستگاه تک‌تراشه (که خود یک دستاورد است). 2) مشاهده امیدوارکنندهV_ocاما FF ضعیف است. 3) با استفاده از suns-V_oc将串联电阻分离为罪魁祸首（pFF >80%是关键数据点）。4）部署SCAPS-1D可视化有问题的能量势垒。5）更换材料（ZnMgO→TiO₂) و دستیابی به 10 برابر بهره. این یک فرآیند حل مسئله کتاب درسی است.

نقاط قوت و کاستی‌ها: نقطه قوت آن در روش واضح و مبتنی بر فیزیک بهینه‌سازی دستگاه است. کاستی، همانطور که نویسندگان صادقانه تصدیق می‌کنند، در این است که این هنوز یک دستگاه با جریان پایین است. بالاV_ocجذاب است، اما اگر تلفات نوری (که احتمالاً عمدتاً در لایه‌های سلنیوم پلی‌کریستال و ITO وجود دارد) حل نشود و مهندسی تماس بیشتر بهینه‌سازی نگردد، سقف بازدهی آن پایین است. در مقایسه با بهینه‌سازی سریع و تجربی در تاندم‌های پروسکایت/سیلیکون، این روش کندتر اما احتمالاً بنیادی‌تر است.

بینش‌های عملی: برای صنعت، پیام دوگانه است. نخست، سلنیوم/سیلیکون یک مسیر پژوهشی امکان‌پذیر با مزیت منحصربه‌فرد سادگی است. دوم، مجموعه ابزار ارائه‌شده در این مقاله – suns-V_oc、pFF分析、SCAPS建模——应成为任何开发新型叠层架构团队的标准配置。投资者应关注后续解决光学设计问题并展示电流密度>15 mA/cm²的研究工作。在此之前，这是一个有前景但处于早期阶段的平台。

6. تحلیل اصیل: احیای سلنیوم در حوزه فتوولتائیک

همان‌طور که در این کار نشان داده شده است، رنسانس سلنیوم در حوزه فتوولتائیک، نمونه‌ای جذاب از "ماده قدیمی، بازی جدید" است. سلنیوم برای دهه‌ها به‌عنوان ماده اولین نسل سلول‌های خورشیدی حالت جامد در تاریخ ثبت شده و تحت الشعاع سلطه صنعتی سیلیکون قرار گرفته است. رنسانس اخیر آن توسط نیازهای خاص پارادایم تاندم سیلیکون هدایت می‌شود، پارادایمی که به دنبال یافتن یکشریکی پایدار، با گاف انرژی پهن و فرآیند ساخت ساده استبه عنوان جام مقدس. در حالی که تاندوم‌های پروسکایت/سیلیکون به دلیل افزایش سریع بازده مورد توجه قرار گرفته‌اند، اما با چالش‌های پایداری و محتوای سرب مواجه هستند. همانطور که نمودار بهترین راندمان سلول‌های تحقیقاتی NREL در سال 2023 نشان می‌دهد، تاندوم‌های پروسکایت/سیلیکون در راندمان پیشتاز هستند، اما یک دسته جداگانه به نام "فوتوولتائیک‌های نوظهور" وجود دارد که بر مشکلات باقی‌مانده قابلیت اطمینان آن‌ها تأکید می‌کند.

این کار، سلنیوم را به عنوان یک گزینه جذاب، اگرچه در موقعیت ضعیف‌تری، اما قدرتمند معرفی می‌کند. ترکیب تک‌عنصری آن یک مزیت بنیادی است که مشکلات استوکیومتری و جدایش فازی رایج در نیمه‌هادی‌های مرکب مانند CIGS یا پروسکایت را از بین می‌برد. پایداری گزارش‌شده فیلم‌های نازک سلنیوم در هوا یک عامل تمایز کلیدی دیگر است که ممکن است هزینه‌های بسته‌بندی را کاهش دهد. ولتاژ 1.68 ولتی که نویسندگان به آن دست یافته‌اند V_ocاز اهمیت بالایی برخوردار است؛ این نشان می‌دهد که سلول بالایی سلنیوم از نظر ولتاژ یک نقطه ضعف نیست. این با حد تعادل دقیق شاکلی-کویسر مطابقت دارد که نشان می‌دهد شکاف باند بهینه برای سلول بالایی روی یک سلول پایینی سیلیکونی حدود 1.7 تا 1.9 الکترون‌ولت است - دقیقاً در محدوده برتری سلنیوم.

با این حال، راه پیش رو دشوار است. شکاف راندمان در مقایسه با تاندوم‌های مبتنی بر پروسکایت بسیار زیاد است. راندمان تاندوم پروسکایت/سیلیکون ثبت‌شده توسط آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) از 33% فراتر رفته است، در حالی که این دستگاه سلنیوم/سیلیکون در مرحله اولین نمایش قرار دارد. همانطور که نویسندگان به درستی اشاره کرده‌اند، چالش اصلی درفیزیک انتقال در رابط ناهمگن نهفته است.این موضوعی رایج در مواد فتوولتائیک نوظهور است که یادآور تحقیقات اولیه سلول‌های خورشیدی آلی است، جایی که مهندسی تماس حیاتی بود. آینده ساختارهای تاندوم سلنیوم/سیلیکون به توسعه یک مجموعه از مواد تماس با هم‌ترازی باند و پاسیواسیون نقص بستگی دارد - این یک چالش علم مواد است، مشابه آنچه حوزه پروسکایت با آن مواجه شد و تا حدی با ترکیباتی مانند Spiro-OMeTAD و SnO حل شد.₂اگر سلنیوم بتواند از تجربیات مهندسی رابط آموخته‌شده در دیگر حوزه‌های فتوولتائیک نوظهور بهره ببرد، پایداری ذاتی و سادگی آن ممکن است آن را به اسب سیاه رقابت‌های تاندوم تبدیل کند.

7. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

تحلیل به معادلات کلیدی فتوولتائیک و پارامترهای شبیه‌سازی وابسته است:

1. روش شدت نور-ولتاژ مدار باز (suns-V_oc): این تکنیک اندازه‌گیری می‌کندV_ocبا تغییر شدت نور، اثر مقاومت سری از ویژگی‌های دیود تفکیک می‌شود. رابطه به صورت زیر است:
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
که در آن $S$ شدت نور (بر حسب واحد شدت نور خورشید)، $n$ فاکتور ایده‌آل، $k$ ثابت بولتزمن، $T$ دما و $q$ بار بنیادی است. برازش خطی می‌تواند فاکتور ایده‌آل را آشکار کند.

2. ضریب پر شدن شبه (pFF): منشأ گرفته شده از suns-V_ocاین داده‌ها نشان‌دهنده حداکثر FF ممکن در غیاب مقاومت سری (Rs) و تلفات شنت (Rsh) هستند. از طریق انتگرال‌گیری از مشخصه جریان-ولتاژ دیود (Jd-V) استخراج شده محاسبه می‌شود:
pFF = Pmax, ideal / (Jsc . Voc)
pFF > 80% 表明体结质量高，损耗主要是电阻性的。

3. پارامترهای شبیه‌سازی SCAPS-1D: ورودی‌های کلیدی برای مدل‌سازی ابرلایه سلنیوم/سیلیکون شامل:
- سلنیوم: شکاف انرژی $E_g = 1.9$ eV، الکترون‌خواهی $χ = 4.0$ eV، ثابت دی‌الکتریک $ε_r ≈ 6$.
- رابط: چگالی نقص در محل اتصال ناهمگن ($N_t$)، سطح مقطع جذب ($σ_n, σ_p$).
- تماس: ZnMgO (حدود 4.0 eV) با TiO₂(حدود 4.2 eV) تابع کار به شدت بر افست نوار هدایت ($ΔE_c$) با Se تأثیر می‌گذارد.

8. نتایج آزمایش و توضیح نمودارها

توضیح نمودارها (بر اساس متن): مقاله ممکن است شامل دو نمودار مفهومی کلیدی باشد.

شکل 1: نمودار شماتیک ساختار دستگاه. نمای مقطعی از پشته یکپارچه نشان داده شده است: "Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [اتصال تونلی] / ZnMgO یا TiO₂ (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au grid lines." This illustrates the series connection and the complex material stacking required for monolithic integration.

Figure 2: Energy band diagram from SCAPS-1D. This is a key diagnostic diagram. It will display two diagrams side by side:
a) استفاده از ZnMgO: در رابط ZnMgO/Se یک "سنبله" یا سد آشکار در نوار هدایت وجود دارد که از جریان الکترون‌ها از لایه جاذب سلنیوم به لایه تماس جلوگیری می‌کند.
b) استفاده از TiO₂： هم‌ترازی مطلوب‌تر "پرتگاه" یا سنبله کوچک، انتشار الکترون‌های داغ را تسهیل کرده و سد انتقال الکترون را کاهش می‌دهد. کاهش این سد به‌طور مستقیم بهبود 10 برابری عملکرد را توضیح می‌دهد.

منحنی جریان-ولتاژ ضمنی (J-V): متن اشاره می‌کند که دستگاه اولیه به دلیل مقاومت سری بالا، منحنی J-V مشخصه "شکل S" یا خمیدگی شدید را نشان می‌دهد. با جایگزینی ZnMgO با TiO₂، منحنی "مربعی‌تر" می‌شود، ضریب پر شدن و چگالی جریان بهبود می‌یابد، اگرچه در مقایسه با سلول قهرمان هنوز فاصله وجود دارد.

9. چارچوب تحلیلی: یک مطالعه موردی غیرکدی

مطالعه موردی: تشخیص تلفات در باتری‌های نوین پشته‌ای

سناریو: یک گروه تحقیقاتی یک سلول تاندوم مونولیتیک جدید (ماده X روی سیلیکون) ساخته‌اند. این سلول نشان‌دهنده‌یV_oc، اما بازده آن به طور ناامیدکننده‌ای پایین است.

کاربرد چارچوب (الهام‌گرفته از این مقاله):

1. مرحله 1 - تفکیک انواع تلفات: اجرای suns-V_oc测量。结果：高pFF（>75%).نتیجه‌گیری: کیفیت خود پیوند فتوولتائیک نسبتاً قابل قبول است؛ تلفات عمدتاً ناشی از بازترکیب حجمی یا سطح مشترک نیست.
2. مرحله 2 - کمّی‌سازی تلفات مقاومتی: اختلاف بین توان ایده‌آل حاصل از pFF و توان اندازه‌گیری‌شده برابر است باتلفات توان مقاومتی. اختلاف بزرگ نشان‌دهنده مقاومت سری بالا است.
3. مرحله 3 - مکان‌یابی سد پتانسیل: از نرم‌افزار شبیه‌سازی دستگاه (مانند SCAPS-1D، SETFOS) استفاده کنید. یک مدل پشته‌ای ایجاد کنید. به طور سیستماتیک آفینیته الکترونی/تابع کار لایه تماس انتخابی حامل بار را تغییر دهید. شناسایی کنید که در شرایط عملیاتی، کدام رابط در نمودار باند یک سد انرژی بزرگ ایجاد می‌کند.
4. مرحله 4 - فرضیه و آزمون: فرضیه: "ماده تماس الکترونی Y با ماده X دارای یک افست +0.3 eV در نوار رسانایی است که یک سد مسدود کننده ایجاد می‌کند." آزمون: ماده Y را با ماده Z جایگزین کنید، پیش‌بینی کنید که ماده Z دارای افست نزدیک به صفر یا منفی (پرتگاه) است.
5. مرحله 5 - تکرار: دستگاه جدید را اندازه‌گیری کنید. اگر FF وJ_scبهبود قابل توجهی داشت، فرضیه صحیح است. سپس، به بزرگ‌ترین تلفات بعدی (مثلاً جذب نوری، تماس حفره) بپردازید.

این چارچوب ساختاریافته و مبتنی بر فیزیک، فراتر از روش آزمون و خطا است و می‌تواند مستقیماً برای هر فناوری نوظهور پشته‌ای اعمال شود.

10. نقشه راه کاربردها و توسعه آینده

کوتاه‌مدت (3-1 سال):

• مهندسی تماس: کشف و بهینه‌سازی لایه‌های انتقال الکترون/حفره جدید که به طور خاص برای سلنیوم طراحی شده‌اند. باید اکسیدهای فلزی دوپ شده، مولکول‌های آلی و مواد دو بعدی غربال‌گری شوند.
• مدیریت نوری: ادغام ساختارهای به دام‌اندازی نور (بافت‌دار، توری) و بهینه‌سازی پوشش ضد بازتاب برای افزایش چگالی جریان سلول بالایی سلنیوم، که ممکن است به دلیل جذب ناقص یا جذب انگلی در لایه‌های تماس محدود شده باشد.
• تنظیم شکاف نواری: بررسی آلیاژ سلنیوم-تلوریوم (SeTe) برای تنظیم دقیق شکاف نواری به نزدیکی مقدار ایده‌آل 1.7 الکترون‌ولت برای اتصال سیلیکونی، که ممکن است تطابق جریان را بهبود بخشد.

میان‌مدت (7-3 سال):

• فناوری رسوب‌دهی مقیاس‌پذیر: انتقال از تبخیر حرارتی در مقیاس آزمایشگاهی به فناوری‌های مقیاس‌پذیر مانند رسوب‌دهی انتقال فاز گازی یا اسپاترینگ برای رسوب سلنیوم.
• بهینه‌سازی اتصال تونلی: توسعه لایه‌های اتصال متقابل بسیار شفاف، کم‌مقاومت و مستحکم که قادر به تحمل فرآیندهای ساخت سلول بالایی باشند.
• اولین نقطه عطف راندمان: 展示认证的硒/硅叠层电池效率>15%，证明该概念可以超越原理验证阶段。

چشم‌انداز بلندمدت و کاربرد:

• دوطرفه و تکمیل‌کننده کشاورزی-نور: استفاده از پتانسیل سلنیوم برای نیمه‌شفاف‌سازی از طریق نازک‌سازی، برای کاربرد در ماژول‌های دوطرفه یا سیستم‌های تکمیل‌کننده کشاورزی-نور که نیاز به عبور جزئی نور دارند.
• فتوولتائیک فضایی: گزارش‌ها حاکی از آن است که سلنیوم دارای مقاومت در برابر تشعشع و پایداری است که می‌تواند سلنیوم/سیلیکون تاندم را برای کاربردهای فضایی جذاب کند، زیرا این کاربردها نیازمند بازدهی بالا و وزن کم هستند.
• بازار تخصصی کم‌هزینه: 如果能够证明其可制造性和效率（>20%），硒/硅叠层可以瞄准那些极端稳定性和简单供应链比追求最高效率更重要的细分市场。

11. مراجع

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)