تصميم جديد للأغشية الرقيقة يستهدف أحد الاختناقات المستمرة في الطاقة الشمسية
اقترح باحثون في جامعة نيرما في الهند بنية خلية شمسية رقيقة خالية من الكادميوم تستخدم أكسيد الإنديوم كطبقة لنقل الإلكترونات في جهاز من سيلينيد النحاس والإنديوم، أو CIS. ووفقًا للتقرير، بلغ التصميم كفاءة تحويل قدرة محاكاة قدرها 29.79% باستخدام نمذجة SCAPS-1D، ما يضعه ضمن أكثر التوقعات الطموحة للأداء في هذه الفئة من المواد الماصة.
تكتسب هذه الدراسة أهميتها أقل بوصفها ادعاءً بأداء تجاري فوري وأكثر بوصفها مؤشرًا على اتجاه تحسين الأغشية الرقيقة. فقد جذبت مواد CIS الماصة اهتمامًا طويلًا بسبب فجوة النطاق المباشرة البالغة نحو 1.5 إلكترون فولت ومعامل الامتصاص العالي، وكلاهما يجعلها واعدة للتحويل الكهروضوئي. لكن الأداء الفعلي للأجهزة غالبًا ما تقيده إعادة الاتحاد المعززة بالمصائد وضعف جمع الحوامل عند الواجهات. وهذه الخسائر تشكل عقبات رئيسية في تصميم الخلايا الشمسية الرقيقة، خاصة عندما يحاول الباحثون رفع الكفاءة من دون الاعتماد على مواد تثير مخاوف تتعلق بالسمّية أو بالمعالجة.
لماذا يجذب أكسيد الإنديوم الاهتمام
تعد طبقات نقل الإلكترونات عنصرًا حاسمًا في الخلايا الشمسية لأنها تساعد على استخراج الإلكترونات وتوجيهها مع حجب مسارات إعادة الاتحاد غير المرغوبة. ووفقًا للتقرير، استُخدمت تقليديًا مواد مثل كبريتيد الكادميوم وثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد الزنك وأكسيد القصدير على نطاق واسع لهذه الوظيفة في الأجهزة الرقيقة. أما فريق جامعة نيرما فركّز بدلًا من ذلك على أكسيد الإنديوم، واضعًا إياه كبديل ضمن بنية خالية من الكادميوم.
نقطة الخلو من الكادميوم مهمة. فطبقات الكادميوم قد تؤدي أداءً جيدًا، لكنها تحمل عيوبًا بيئية وتنظيمية ما تزال تؤثر في أولويات البحث. لذلك فإن تصميمًا ناجحًا للأغشية الرقيقة يقلل الاعتماد على الكادميوم مع الحفاظ على الكفاءة أو تحسينها سيكون ذا قيمة ليس فقط علمية، بل أيضًا من منظور قابلية التصنيع وقبول السوق.
يتمثل دور أكسيد الإنديوم في الخلية النموذجية في دعم استخلاص أكثر فعالية للشحنة وتقليل الخسائر عند الواجهة مع المادة الماصة. وفي الخلايا الكهروضوئية الرقيقة، غالبًا ما تحدد هذه الواجهات ما إذا كانت الإمكانات النظرية للمادة ستتحول إلى خرج قابل للاستخدام. فالمادة الماصة القوية وحدها لا تكفي إذا كانت العيوب أو سوء المحاذاة في الطبقات المجاورة تتسبب في إعادة اتحاد الحوامل قبل جمعها.
