اكتشاف مفهوم جديد في الخلايا الكهروضوئية يستغل قدرة المواد على الوجود في مراحل بلورية مختلفة

أظهر فريق من الباحثين من مركز الفيزياء المتكاملة والمواد الضوئية في جامعة دريسدن للتكنولوجيا ومركز الإلكترونيات المتقدمة في دريسدن مفهومًا جديدًا للخلايا الشمسية يستغل قدرة المواد على الوجود في المراحل البلورية المختلفة. تم نشر البحث ذي الصلة الآن في مجلة Nature Energy.

الغرض من الخلية الكهروضوئية هو تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. عن طريق امتصاص ضوء الشمس ، يتم إنشاء أزواج من ناقلات الشحنة ، والتي تحتاج بعد ذلك إلى توجيهها إلى جوانب متقابلة من الصمام الثنائي الكهروضوئي لتوليد تيار كهربائي. لتسهيل هذه العملية ، تشتمل معظم الخلايا الشمسية على وصلة غير متجانسة توفر بيئة طاقة مواتية لدفع عملية فصل الشحنات.

على سبيل المثال ، تشكل الخلايا الشمسية السليكونية تقاطعات غير متجانسة عن طريق التنشيط الكهربائي لكل جانب من الجهاز ، مما يؤدي إلى تقاطع pn. من ناحية أخرى ، تعتمد الخلايا الشمسية العضوية على خلط أنواع مختلفة من المواد (المتبرع والمقبول) لتشكيل تقاطعات غير متجانسة. ومع ذلك ، فإن هذه المفاهيم لا تنطبق عادة على الفئات الناشئة من المواد الكهروضوئية الجديدة.

أظهر فريق بحث المشروع الآن مفهومًا جديدًا لتشكيل التداخلات الكهروضوئية غير المتجانسة. من أجل القيام بذلك ، استفاد الباحثون من حقيقة أن المواد يمكن أن توجد في كثير من الأحيان في أشكال هيكلية مختلفة ، تسمى المراحل البلورية.

هذه الظاهرة ، المعروفة باسم تعدد الأشكال ، تعني أن نفس المادة يمكن أن تظهر خصائص مختلفة اعتمادًا على الترتيب المحدد للذرات والجزيئات في بنيتها. من خلال ربط مرحلتين بلوريتين من نفس المادة ، أظهر الباحثون لأول مرة تشكيل خلية شمسية غير متجانسة. على وجه التحديد ، اختار الباحثون كالكوجينيد الرصاص يوديد السيزيوم - مادة فعالة لامتصاص الخلايا الشمسية في مرحلتي بيتا وغاما - لمفهومهم الجديد.

وأوضح الباحثون أن الخصائص البصرية والإلكترونية ليوديد الرصاص السيزيوم تختلف عن بعضها البعض ، ومن خلال وضع الكالكوجينيد فوق الكالكوجينيد ، تمكنا من إنشاء خلية شمسية غير متجانسة الطور تكون أكثر كفاءة بشكل ملحوظ من الطاقة الشمسية. الخلايا القائمة على الكالكوجينيد أحادي الطور ". أظهر الباحثون في دراستهم أن الطبقة العليا من المرحلة تؤثر على أداء الخلية الشمسية بعدة طرق.

قال الباحثون إن التحليل الطيفي المتقدم أظهر أن الأداء المحسن كان مرتبطًا بزيادة امتصاص الضوء وتكوين محاذاة طاقة مواتية بين المرحلتين.

الأهم من ذلك ، أكد الباحثون أن الطور غير المتجانس ظل مستقرًا أثناء تشغيل الخلايا الشمسية وحتى قمع هجرة الأيونات في ممتص الخلايا الشمسية ، مما أدى إلى حل مشكلة شائعة مع مواد الكالكوجينيد.

لتحقيق مفهوم المرحلة غير المتجانسة ، استخدم الباحثون عمليتي تصنيع مختلفتين للطبقتين العلوية والسفلية. يقول الباحثون إنهم يأملون في أن يكون هذا المفهوم الجديد ، جنبًا إلى جنب مع مسار تصنيع بسيط لمراحل غير متجانسة ، قابلاً للتطبيق أيضًا على مجموعة واسعة من أنظمة المواد في مجموعة من الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية.

نظرًا لأن العديد من فئات أشباه الموصلات تظهر تعدد الأشكال ، فإن هذا المفهوم يمكن أن يمهد الطريق لتطبيقات جديدة تمامًا تعتمد على الطور غير المتجانسة ، والتي يمكن تصنيعها من مادة واحدة باستخدام عملية تصنيع بسيطة وغير مكلفة.