دستاورد جدید محققان: سلول خورشیدی شفاف سیلیکون آمورف که بیش از ۶۰ درصد از نور مرئی را عبور می‌دهد

محققان موفق به ساخت سلول خورشیدی جدیدی بر پایه سیلیکون آمورف شده‌اند که می‌تواند هم در پنل‌های فتوولتائیک شفاف و هم در سلول‌های تاندم به‌کار گرفته شود. این سلول بازده قابل‌توجهی دارد و می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای فناوری‌های فتوولتائیک آلی شفاف مطرح شود.

گروهی از محققان دانشگاه پلی‌تکنیک کاتالونیا (UPC) در اسپانیا، این سلول شفاف را با استفاده از لایه‌های نازک کاربید سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si₁₋ₓCₓ:H) ساخته‌اند که نقش جذب‌کننده نور را دارد. به گفته «جرارد ماسمیتجا»، نویسنده اصلی این پژوهش:

«سلول ما شفافیتی استثنایی، بیش از ۵۰ درصد، برای فتوولتائیک‌های غیرآلی شفاف ارائه می‌دهد. در سال‌های اخیر، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون آمورف دوباره مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا گزینه‌ای امیدوارکننده برای ساخت دستگاه‌های شفاف با قابلیت اطمینان بالا محسوب می‌شوند. ما نشان دادیم که تنظیم باندگپ در لایه a-Si₁₋ₓCₓ:H امکان‌پذیر است؛ قابلیتی که نه‌تنها برای سلول‌های شفاف مفید است، بلکه می‌تواند در سلول‌های تندم نیز کاربرد داشته باشد.»

ساخت سلول خورشیدی شفاف بر پایه سیلیکون آمورف

این سلول خورشیدی که ابعادی برابر با ۰/۵ در ۰/۵ سانتی‌متر دارد، بر پایه زیرلایه‌ای از شیشه تجاری پوشیده‌شده با اکسید قلع آلاییده با فلوئور (FTO) ساخته شده است. لایه جاذب a-Si₁₋ₓCₓ:H با ضخامت ۴۰ تا ۴۵ نانومتر، روی زیرلایه‌ای از شیشه بوروسیلیکات و به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار با پلاسما (PECVD) ساخته شد.

در این فرایند، نسبت‌های مختلفی از گازهای سیلان (SiH₄) و متان (CH₄) به‌کار رفت. همچنین، یک لایه انتقال حفره (HTL) از اکسید روی آلاییده با آلومینیوم (AZO) به ضخامت ۴۵ نانومتر با استفاده از رسوب‌دهی لایه اتمی (ALD) ایجاد شد. این روش همچنین برای رسوب‌دهی یک لایه تماس انتخابی حفره از جنس اکسید وانادیوم (V₂Oₓ) به ضخامت ۱۲ نانومتر به‌کار گرفته شد.

برای لایه انتقال الکترون (ETL)، تیم پژوهشی از فیلمی با باندگپ وسیع از سیلیکون-کربید آمورف آلاییده با فسفر (a-Si₁₋ₓCₓ:H) استفاده کرد. مواد اولیه شامل دی‌اتیل‌زینک (DEZ)، تری‌متیل‌آلومینیوم (TMA) و آب دی‌یونیزه (DI-H₂O) بودند که به‌ترتیب به‌عنوان پیش‌ماده‌های روی، آلومینیوم و اکسیدکننده به‌کار رفتند.

برای بررسی ساختار میکروسکوپی سلول، پژوهشگران از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) استفاده کردند. تصاویر با آشکارسازهای نور روشن (BF) و میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF) از برند JEOL ثبت شدند. همچنین، تحلیل‌های طیف‌سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس (EDS) با استفاده از میکروسکوپ JEOL F200 TEM ColdFEG در ولتاژ ۲۰۰ کیلوولت انجام شد و نمونه‌ها در نگهدارنده برلیومی دو‌محوره JEOL قرار گرفتند.

بهترین سلول خورشیدی ساخته‌شده با این ساختار پیشنهادی، به بازده تبدیل توان ۲/۶ درصد دست یافته است. این سلول دارای ولتاژ مدار باز ۷۴۸ میلی‌ولت، چگالی جریان اتصال کوتاه ۵/۲ میلی‌آمپر بر سانتی‌مترمربع و ضریب پرشدگی (Fill Factor) برابر با ۶۸ درصد بود. به گفته ماسمیتجا: «افزایش میزان کربن در لایه‌ی a-Si₁₋ₓCₓ:H باعث بهبود بازده در شرایط نوری داخل ساختمان می‌شود.»

برخی از نمونه‌ها همچنین میانگین عبور نوری فوتوپیک (APT) بین ۵۰ تا ۷۰ درصد را نشان دادند. این شاخص میزان شفافیت سلول در محدوده دید انسان را مشخص می‌کند و صرفاً میانگین ساده عبور نور نیست. در سال‌های اخیر، APT به یکی از استانداردهای کلیدی برای کاربردهایی مانند پنجره‌های خورشیدی و سلول‌های نیمه‌شفاف تبدیل شده است.

پژوهشگران در مقاله خود نوشتند: «این نتایج نشان می‌دهد که می‌توان سلول‌های خورشیدی غیرآلی کاملاً شفاف را بدون کاهش چشمگیر در بازده توان ساخت. علاوه بر شفافیت، افزودن کربن به ساختار سلول، آن را برای کاربری‌های داخلی با شدت نور کم مناسب‌تر می‌سازد، زیرا عملکرد آن در این شرایط بهتر حفظ می‌شود.»

جزئیات کامل این پژوهش در مجله Renewable Energy منتشر شده است.

بیشتر بخوانید: دستاورد محققان چینی: پوشش شفافی که پنجره را به پنل خورشیدی تبدیل می‌کند