پژوهشگران کره‌ای دو نقص کلیدی را شناسایی کردند که باعث افت راندمان پنل‌های خورشیدی می‌شدند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، پژوهشگران این دو نقص را در کارآمدترین سلول‌های خورشیدی سیلیکونی امروز، یعنی سلول‌های هتروجانکشن (SHJ) کشف کرده‌اند. این نخستین‌بار است ماهیت دقیق نقص‌هایی که باعث افت عملکرد این فناوری می‌شود، به‌طور رسمی مشخص می‌شود. این دستاورد حاصل کار تیمی مشترک از موسسه پژوهش انرژی کره در دائجون و دانشگاه ملی چونگ‌بوک در چونگجو است. هدایت این پروژه را دکتر «هی-اون سونگ» از بخش فوتوولتائیک KIER (موسسه پژوهش انرژی کره) و دکتر «کا-هیون کیم»، استاد فیزیک دانشگاه ملی چونگ‌بوک بر عهده داشته‌اند؛ پژوهشی که شیوه‌ای دقیق‌تر و کارآمدتر برای ارتقای عملکرد سلول‌های SHJ ارائه می‌کند.
سلول‌های SHJ با ترکیب سیلیکون بلوری و لایه‌های نازک سیلیکون آمورف، ستون اصلی معماری نسل آینده هستند؛ ساختارهایی که با قرار دادن چند نوع سلول روی یکدیگر، از سقف بازده سلول‌های سیلیکونی سنتی پنل‌های خورشیدی عبور می‌کنند. با وجود این مزایا، بازده این سلول‌ها همچنان زیر سایه نقص‌های ریزساختاری قرار دارد؛ نقص‌هایی که حامل‌های بار را گرفتار می‌کنند و راندمان را کاهش می‌دهند. هرچند لایه‌های پس‌پالایش بسیاری از این عیوب را مهار می‌کنند، اما ابزارهای متداول همچنان در ردیابی و تحلیل رفتار آنها ناکارآمد بوده‌اند.
ارزیابی نقص‌های درونی ساختارهای سیلیکونی سال‌ها بر پایه روش طیف‌سنجی گذرای ترازهای عمیق یا DLTS استوار بوده است؛ روشی که با وارد کردن یک پالس ولتاژ و پایش فرایند بازگشت دستگاه به تعادل، نشانه‌های اختلال را آشکار می‌کند. هرچند، این فرایند بازگشت تنها در چند میلی‌ثانیه رخ می‌دهد و رویکردهای رایج قادر به ثبت دو وضعیت بودند: لحظه پس از پالس و لحظه‌ای که دستگاه دوباره به حالت پایدار رسیده است.
چنین تصویر لحظه‌ای برای ساختارهای ساده کفایت می‌کند، اما در سلول‌های SHJ شرایط کاملا متفاوت است. این سلول‌ها مجموعه‌ای از لایه‌ها، مرزهای پیچیده و نواحی سرشار از هیدروژن دارند؛ جایی که طیف گسترده‌ای از حالت‌های نقصی در کنار هم فعال هستند و روش‌های کلاسیک دیگر پاسخگوی پیچیدگی آنها نیستند.
بیشتر بخوانید: تبدیل دی‌اکسید کربن به سوخت با انرژی خورشیدی
حتما بخوانید: این شیشه انرژی خورشیدی تولید می کند!
پژوهشگران کره‌ای برای عبور از محدودیت‌هایی که تنها امکان برداشت غیرمستقیم از رفتار نقص‌ها را فراهم می‌کرد و پرسش‌های کلیدی را بی‌پاسخ می‌گذاشت، روال DLTS را بازطراحی کردند. آنها شیوه تفسیری جدیدی عرضه کردند که قادر است کل پاسخ گذرای سیگنال را با دقت ردیابی کند. تحلیل سیر تحول بخش‌های مختلف سیگنال در طول زمان نشان داد امضایی که تاکنون یک نقص واحد تلقی می‌شد، در حقیقت برآیندی از دو نوع نقص مستقل است، که هم‌زمان در ساختار حضور دارند. سونگ در توضیح اهمیت این یافته گفت: «این مطالعه می‌تواند روند توسعه سلول‌های SHJ فوق‌کارآمد را شتاب دهد و ما را به سمت ساخت سلول‌های جدید در تراز جهانی، بر پایه فناوری‌های اختصاصی KIER، پیش ببرد.»
دو نقص مستقل از هم در پنل‌های خورشیدی
پژوهشگران نشان دادند که ماهیت نقص‌ها یکدست نیست: یکی از آنها مانند یک تراز عمیق و کند عمل می‌کند، در حالی که دومی رفتاری سریع و کم‌عمق دارد. با جداسازی و تحلیل مستقل این دو مولفه، سطح انرژی هر یک، جایگاه دقیق آنها در ساختار دستگاه و حتی الگوی پیوندهای اتمی آنها مشخص شد. به گفته اعضای تیم تحقیق، چنین جزئیاتی با ابزارهای پیشین قابل دسترسی نبود. این نتیجه تاکید می‌کند که ارتقای بازده تنها به شمارش نقص‌ها محدود نمی‌شود؛ بلکه نیازمند درکی روشن از این است که هر نقص چگونه بر عملکرد نهایی دستگاه اثر می‌گذارد.
پیشنهادی: بزرگ ترین نیروگاه های خورشیدی جهان در سال ۲۰۲۵
نتایج مقاله نشان می‌دهد که نقص‌ها بسته به شرایط ساخت و شیوه عملکرد دستگاه، می‌توانند آرایش پیوندی خود را تغییر دهند؛ رفتاری پویا که هیدروژن، عنصر رایج در فرایندهای تولید SHJ، نقشی اساسی در شکل‌گیری آن دارد. کیم در یک بیانیه خبری تاکید کرد: «این پژوهش بنیانی‌ترین تصویر را از پیوند میان نقص‌ها و فرایند پسیواسیون ارائه می‌کند. روش تحلیلی به‌دست‌آمده قابلیت آن را دارد که فراتر از سلول‌های خورشیدی، در طیف گسترده‌ای از فناوری‌های نیمه‌رسانا و نمایشگر، از حسگرها و LEDها گرفته تا دستگاه‌های CMOS به‌کار گرفته شود.»
این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.
