بهبود عملکرد و پایداری سلول‌های خورشیدی لایه نازک با نانولایه اکسید ژرمانیوم

محققان در پژوهشی نشان دادند که افزودن یک لایه نانومتری از اکسید ژرمانیوم باعث بهبود چشمگیر عملکرد و پایداری سلول‌های خورشیدی لایه نازک می‌شود.

با افزایش شتاب تقاضای جهانی برای انرژی پاک، انرژی خورشیدی همچنان به‌دلیل دسترسی گسترده و قابلیت مقیاس‌پذیری بالا مورد توجه قرار دارد. هم‌زمان، پژوهشگران در سال‌های اخیر توجه ویژه‌ای به سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک به‌عنوان جایگزینی برای فناوری متداول سیلیکون بلوری نشان داده‌اند. این سلول‌ها هزینه تولید کمتری دارند، از یکنواختی بیشتری در فرایند ساخت برخوردارند و برای کاربردهای الکترونیکی سبک و انعطاف‌پذیر گزینه‌ای مناسب به شمار می‌روند.

در میان مواد پیشنهادی، سولفید قلع (SnS) به‌عنوان یکی از گزینه‌های جدی برای نسل آینده سلول‌های خورشیدی لایه نازک مطرح شده است. این ماده ارزان‌قیمت و غیرسمی است و برخلاف فناوری‌های رایج، به عناصر کمیاب و محدود مانند ایندیوم، گالیوم و تلوریوم وابستگی ندارد. افزون بر این، سلول‌های مبتنی بر SnS با اهداف توسعه پایدار سازمان ملل هم‌راستا هستند و از نظر ویژگی‌های بنیادی، توان بالقوه بالایی برای جذب مؤثر نور خورشید دارند.

با این حال، در عمل سلول‌های خورشیدی SnS هنوز نتوانسته‌اند به سطح عملکرد پیش‌بینی‌شده در مدل‌های نظری دست یابند. نتایج تجربی طی سال‌ها پژوهش و بهینه‌سازی، همواره پایین‌تر از انتظار بوده است. یکی از مهم‌ترین موانع فنی، به ناحیه تماس پشتی مربوط می‌شود؛ جایی که لایه SnS با الکترود فلزی در تماس قرار می‌گیرد و تلفات عملکردی قابل توجهی ایجاد می‌شود.

در این نقطه بحرانی، چندین مشکل به‌طور هم‌زمان بروز می‌کند. نقص‌های ساختاری، واکنش‌های شیمیایی ناخواسته و جابه‌جایی کنترل‌نشده اتم‌ها همگی مانع از حرکت روان بارهای الکتریکی می‌شوند. مجموعه این عوامل، توانایی سلول خورشیدی در جمع‌آوری و انتقال انرژی را کاهش داده و در نهایت، محدودیت جدی بر بازدهی کلی دستگاه تحمیل می‌کند.

به گزارش سای‌تک دیلی، گروه پژوهشی به سرپرستی پروفسور جائه‌یونگ هئو و دکتر راهول کومار یاداو از دانشگاه ملی چوننام در کره‌جنوبی، به دستاوردی مهم در طراحی سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک دست یافته‌اند. این مطالعه که به‌صورت آنلاین در مجله Small منتشر شده، رویکردی نوآورانه را معرفی می‌کند: افزودن یک لایه فوق‌نازک از اکسید ژرمانیوم (GeOx) میان تماس پشتی مولیبدن و لایه جاذب SnS.

پژوهشگران برای ایجاد این لایه میانی با ضخامت تنها ۷ نانومتر از روشی دقیق اما ساده استفاده کردند. آن‌ها از رفتار طبیعی اکسیداسیون یک لایه نازک ژرمانیوم در فرایند رسوب‌دهی انتقال بخار بهره گرفتند؛ روشی که از نظر مقیاس‌پذیری و سازگاری با صنعت، کاملاً عملی ارزیابی می‌شود.

پروفسور هئو دراین‌باره توضیح می‌دهد: «با وجود ضخامت نانومتری، این لایه میانی به‌طور هم‌زمان چندین چالش قدیمی را برطرف می‌کند. این لایه، نقص‌های عمیق و مخرب را سرکوب می‌کند، از نفوذ ناخواسته سدیم جلوگیری می‌کند و مانع از تشکیل فازهای مقاوم و نامطلوب دی‌سولفید مولیبدن در طول فرایندهای ساخت در دمای بالا می‌شود.»

مجموعه این اثرات، کیفیت لایه جاذب SnS را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد و به تشکیل دانه‌هایی بزرگ‌تر و یکنواخت‌تر، تقویت انتقال و جمع‌آوری بارهای الکتریکی و کاهش قابل‌توجه تلفات الکتریکی منجر می‌شود.

جهش بازدهی و پیامدهای فراتر از سلول خورشیدی

به‌کارگیری این لایه میانی مهندسی‌شده و کنترل‌شده از جنس اکسید ژرمانیوم (GeOx)، افزایش قابل‌توجهی در بازده تبدیل توان ایجاد کرده است؛ به‌طوری که بازده از ۳.۷۱ درصد در نمونه‌های مرسوم به ۴.۸۱ درصد رسیده است. این مقدار، یکی از بالاترین بازده‌های گزارش‌شده برای سلول‌های خورشیدی مبتنی بر SnS محسوب می‌شود که با روش‌های رسوب‌دهی بخار ساخته شده‌اند.

اهمیت این دستاورد تنها به حوزه سلول‌های خورشیدی محدود نمی‌شود. توانایی مهندسی دقیق رابط‌های مواد، پیامدهای گسترده‌ای در سایر فناوری‌ها نیز دارد. برای مثال، در ترانزیستورهای لایه‌نازک، رابط فلز–نیمه‌رسانا نقش تعیین‌کننده‌ای در مقاومت تماسی و عملکرد سوئیچینگ ایفا می‌کند. به همین ترتیب، خواص مطلوب رابط‌ها برای دستیابی به بازده بالای تبدیل انرژی در ادوات ترموالکتریک، افزایش حساسیت و انتقال بار در حسگرها، پایداری مکانیکی در الکترونیک انعطاف‌پذیر و بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری و حافظه‌های الکترونیکی ضروری است.

پروفسور هئو تأکید می‌کند: «در تمام این کاربردها، تسلط بر مهندسی رابط فلز–نیمه‌رسانا همچنان نقشی محوری در پیشبرد نسل بعدی ادوات الکترونیکی دارد. ما معتقدیم این پژوهش مسیرهای تازه‌ای را برای تحقیقات آینده باز خواهد کرد و به توسعه سلول‌های خورشیدی پیشرفته و سایر فناوری‌های کلیدی کمک می‌کند.»