فناوری جدید پسیواسیون در سلول‌های خورشیدی تاندِم پروسکایت–سیلیکون؛ راندمان گواهی‌شده 32.89% و پایداری 1000 ساعته

• Radsunenergy
• خورشید
• 0

سلول‌های خورشیدی تاندِم پروسکایت–سیلیکون یکی از مهم‌ترین مسیرهای توسعه نسل جدید فناوری‌های فتوولتائیک هستند. در تازه‌ترین دستاورد علمی، پژوهشگران آکادمی علوم چین (CAS) با ارائه یک راهبرد جدید برای پسیواسیون سطحی، موفق شده‌اند عملکرد و پایداری این سلول‌ها را به‌طور هم‌زمان بهبود دهند و به راندمان گواهی‌شده 32.89 درصد دست پیدا کنند.

این فناوری که با عنوان Peak-Selective Passivation (PSP) یا «پسیواسیون انتخابی نوک هرم‌ها» معرفی شده، روی یکی از چالش‌های مهم سلول‌های تاندِم تمرکز دارد: کنترل رفتار الکتریکی و ساختاری سطح بافت‌دار سیلیکون، بدون از بین بردن مزایای نوری آن.

چرا سلول‌های تاندِم پروسکایت–سیلیکون مهم هستند؟

سلول‌های سیلیکونی متداول به بلوغ صنعتی رسیده‌اند، اما از نظر راندمان به محدوده‌ای نزدیک شده‌اند که افزایش بیشتر آن دشوارتر و پرهزینه‌تر است. در این شرایط، ساختار تاندِم پروسکایت–سیلیکون به‌عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین راهکارها مطرح شده است.

در این ساختار، لایه پروسکایت بخش‌های پرانرژی‌تر طیف نور خورشید را جذب می‌کند و سیلیکون نیز بخش‌های دیگر طیف، به‌ویژه مادون قرمز نزدیک، را به برق تبدیل می‌کند. نتیجه این ترکیب، استفاده بهتر از انرژی خورشیدی و افزایش راندمان نهایی سلول است.

به همین دلیل، فناوری تاندِم در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین محورهای تحقیق و توسعه در صنعت خورشیدی تبدیل شده است.

چالش اصلی: سطح هرمی سیلیکون و مشکل نشتی جریان

در بسیاری از سلول‌های سیلیکونی صنعتی، سطح ویفر به‌صورت هرمی بافت‌دار می‌شود تا بازتاب نور کاهش یابد و جذب بهتر شود. اما همین ساختار هرمی، در سلول‌های تاندِم یک چالش مهم ایجاد می‌کند.

نوک هرم‌ها می‌توانند محل تمرکز میدان الکتریکی باشند. این موضوع باعث می‌شود احتمال ایجاد نشتی جریان، شنت الکتریکی و بازترکیب حامل‌ها افزایش پیدا کند. از طرف دیگر، پوشش‌دهی یکنواخت لایه پروسکایت روی چنین سطح ناهمواری نیز دشوارتر است.

در نتیجه، اگرچه بافت هرمی برای مدیریت نور مفید است، اما از نظر الکتریکی و فرایند ساخت، نیاز به یک راهکار دقیق پسیواسیون دارد.

فناوری PSP چگونه کار می‌کند؟

برای حل این مشکل، پژوهشگران یک روش هوشمندانه و هدفمند ارائه کرده‌اند. در این روش، تنها نواحی بحرانی سطح یعنی نوک هرم‌های سیلیکونی مورد پسیواسیون قرار می‌گیرند، نه کل سطح.

فرایند به این صورت انجام می‌شود:

• ابتدا از نانوکره‌های پلی‌استایرن به‌عنوان قالب قربانی استفاده می‌شود.
• این نانوکره‌ها به‌صورت خودآرا روی سطح قرار می‌گیرند.
• سپس اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) فقط روی نواحی نوک هرم‌ها رسوب داده می‌شود.

این لایه موضعی دو نقش اصلی ایفا می‌کند:

• کاهش تمرکز میدان الکتریکی در نواحی حساس
• جلوگیری از ایجاد مسیرهای نشتی و شنت

به‌عبارت ساده، این روش به‌جای آنکه کل سطح را دستخوش تغییر کند، فقط بخش‌هایی را هدف می‌گیرد که بیشترین احتمال ایجاد افت عملکرد را دارند.

تأثیر این روش بر رشد لایه پروسکایت

یکی از مزیت‌های مهم این فناوری آن است که رسوب موضعی Al₂O₃ مانع از شکل‌گیری مناسب لایه پروسکایت نمی‌شود. طبق گزارش پژوهشگران، این ماده با لایه‌های SAM یا Self-Assembled Monolayers برهم‌کنش شدیدی ندارد و همین موضوع باعث می‌شود رشد پروسکایت روی سطح اصلاح‌شده همچنان به‌خوبی انجام شود.

نتیجه این فرایند عبارت است از:

• جوانه‌زنی بهتر کریستال‌های پروسکایت
• شکل‌گیری لایه‌ای یکنواخت‌تر و متراکم‌تر
• کاهش پین‌هول و نقص‌های ساختاری
• بهبود کیفیت تماس بین لایه‌ها

این ویژگی‌ها به‌صورت مستقیم روی راندمان و پایداری سلول اثر می‌گذارند.

نتایج به‌دست‌آمده

بر اساس نتایج منتشرشده، سلول تاندِم ساخته‌شده با این روش توانسته است به عملکرد قابل‌توجهی برسد:

• حداکثر راندمان ثبت‌شده: 33.33 درصد
• راندمان گواهی‌شده: 32.89 درصد
• حفظ حدود 90 درصد راندمان اولیه پس از 1000 ساعت کارکرد پیوسته

این اعداد نشان می‌دهند که فناوری PSP فقط یک اصلاح جزئی در ساختار نیست، بلکه می‌تواند هم‌زمان روی بازده تبدیل انرژی و پایداری عملکرد تأثیر معنی‌داری داشته باشد.

اهمیت صنعتی این دستاورد

یکی از مهم‌ترین نکات این پژوهش، قابلیت استفاده صنعتی آن است. برخلاف برخی روش‌های آزمایشگاهی که برای تولید انبوه مناسب نیستند، این راهکار به‌گونه‌ای طراحی شده که با ساختارهای متداول تولید سیلیکون سازگاری داشته باشد.

مزیت‌های صنعتی این روش شامل موارد زیر است:

• امکان استفاده در کنار خطوط تولید فعلی سلول‌های سیلیکونی
• عدم نیاز به لیتوگرافی پیچیده و تجهیزات الگوگذاری پرهزینه
• قابلیت مقیاس‌پذیری بهتر برای تولید انبوه
• حفظ مزایای نوری سطح بافت‌دار در کنار کاهش مشکلات الکتریکی

این موضوع نشان می‌دهد که PSP می‌تواند از یک دستاورد علمی، به یک راهکار واقعی برای نسل آینده پنل‌های خورشیدی تبدیل شود.

جمع‌بندی

فناوری پسیواسیون انتخابی نوک هرم‌ها (PSP) که توسط پژوهشگران آکادمی علوم چین معرفی شده، نمونه‌ای مهم از پیشرفت‌های اثرگذار در صنعت فتوولتائیک است. این روش با استفاده از نانوکره‌های پلی‌استایرن و رسوب‌دهی موضعی Al₂O₃ توانسته است یکی از چالش‌های کلیدی سلول‌های خورشیدی تاندِم پروسکایت–سیلیکون را هدف قرار دهد و راندمان این ساختار را به 32.89 درصد به‌صورت گواهی‌شده برساند.

برای صنعت خورشیدی، این دستاورد یک پیام روشن دارد: آینده پنل‌های با راندمان بالا فقط به مواد جدید وابسته نیست، بلکه به مهندسی دقیق سطح، کنترل بین‌سطح‌ها و بهینه‌سازی فرایند ساخت نیز وابسته است.