“اختراق جديد من MIT: تسريع كفاءة خلايا السيليكون باستخدام التفكك الأحادي للإكسيتون”

طور علماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في الولايات المتحدة خلية شمسية ميكروية (microwire solar cell)  تعتمد على ظاهرة فيزيائية تُعرف باسم تفكك الإكسيتون الأحادي (Singlet Exciton Fission – SF)، والتي قد تتيح تجاوز الحد الكمي لكفاءة الخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون  (silicon)

ما هي ظاهرة التفكك الأحادي للإكسيتون  (Singlet Exciton Fission)؟

تقوم ظاهرة تفكك الإكسيتون الأحادي على مبدأ فيزيائي فريد حيث يسمح فوتون واحد (photon) بتوليد زوجين من إلكترونات-الفجوة (electron-hole pairs) بدلًا من واحد فقط، مما يزيد من كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. وقد لاحظ العلماء هذه الظاهرة منذ السبعينيات، لكنها بقيت تحديًا معقدًا لتحويلها إلى خلايا شمسية عملية.

كيف تم تحقيق هذا الإنجاز؟

شرح الدكتور مارك أ. بالدور، الباحث المسؤول عن الدراسة، لمجلة pv magazine أن “التقدم الحقيقي تمثل في تصميم واجهة (interface) تسمح بنقل الإلكترونات (electrons) والفتحات (holes) بشكل متتابع إلى السيليكون، بدلاً من نقلهما معًا دفعة واحدة.”

في دراسة نشرت مؤخرًا بعنوان “Exciton fission enhanced silicon solar cell” في مجلة  Joule، شرح الباحثون كيفية بناء خلية ميكروية (microwire cell) باستخدام فيلم من أوكسينيتريد الهافنيوم (hafnium oxy-nitride – HfOxNy)  لتحسين التوافق بين مادة التتراسين (tetracene – Tc) والسيليكون. تُعد التتراسين ومشتقاتها من أفضل المواد التي تُظهر ظاهرة التفكك الأحادي.

تفاصيل تصميم الخلية الشمسية الجديدة

تضمن تصميم الواجهة أيضًا طبقة رقيقة من أكسيد الألمنيوم (aluminum oxide – AlOx) لتقليل إعادة اتحاد حاملات الشحنة (charge recombination) عند سطح السيليكون، بالإضافة إلى طبقة من فثالوسيانين الزنك (zinc phthalocyanine – ZnPc) كمادة مانحة للإلكترونات (electron-donor material). ولمواجهة خسائر إعادة الاتحاد من الجانب الخلفي، أُضيفت طبقة حقل السطح الخلفي (back surface field – BSF) مع تلامس خلفي موضعي (localized back contact)، إضافة إلى شبكة إلكترودية أمامية (microgrid electrode)  لجمع الحاملات بكفاءة.

نتائج الأداء والكفاءة

أظهرت التجارب أن ترسيب طبقتي ZnPc وTc  على الخلية زاد من كثافة تيار الدائرة القصيرة (short-circuit current density)  بشكل ملحوظ دون التأثير على الجهد المفتوح (open-circuit voltage) أو معامل التعبئة  (fill factor)، مما أدى إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة (power conversion efficiency) بشكل عام. وأكد التحليل أن كفاءة توليد الشحنات القصوى لكل فوتون ممتص في التتراسين تصل إلى حوالي 138%، متجاوزة بذلك الحد الكمي التقليدي (quantum efficiency limit) للخلايا الشمسية السيليكونية.

أهمية التقنية ومستقبلها

قال بالدور: «ستنافس هذه التقنية تنافس مفاهيم الخلايا ثنائية الوصلة (double junction concepts) مثل خلايا البيروفسكايت (perovskites) على السيليكون. فدمج عملية انشطار الإكسيتون مع السيليكون يتيح تجاوز قيود مطابقة التيار، ويُوفر في الوقت نفسه متانة تحت ظروف الإضاءة المتغيرة وبساطة مشابهة للخلايا أحادية الوصلة. ومع ذلك، لا تزال أمامنا طريق طويلة. الأهم من ذلك أننا بحاجة إلى رفع الكفاءة وإثبات أن هذه التقنية قادرة على الحفاظ على الاستقرار عند التعرض المستمر لأشعة الشمس.”

واختتم قائلاً: “رصد التيار الضوئي الناتج عن التفكك الأحادي (photocurrent from exciton fission) في خلية سيليكون هو دليل قاطع على إمكانية توظيف هذه الظاهرة لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية. أعتقد أننا أصبحنا قادرين على القول إن التفكك الأحادي هو منافس تكنولوجي حقيقي في سباق تقنيات الطاقة الشمسية الجديدة.”

أبحاث سابقة وجهود مستقبلية

في سياق التطوير المستمر لتقنيات الانشطار الأحادي  (Singlet Fission)، أعلن باحثون من MIT وجامعة فيرجينيا عام 2023 عن خطط لاستخدام مركبات الأسين  (acenes)، وهي جزيئات بنزين تتمتع بخصائص ضوئية وإلكترونية فريدة، من خلال تطعيمها بالبورون والنيتروجين وإضافة روابط كربوديكاربين، لتعزيز أداء هذا النوع من الخلايا الشمسية.

وسبق ذلك في عام 2019 نجاح فريق آخر من MIT في تطبيق الانشطار الأحادي على خلايا السيليكون، مستخدمين طبقة رقيقة من أوكسي نيتريد الهافنيوم بين السيليكون ومادة التتراسين، ما قد يرفع الكفاءة إلى 35%. وقد وصف الباحثون هذه التقنية بأنها بمثابة “تسريع توربيني” للخلايا الشمسية السيليكونية، مشيرين إلى أنها تختلف عن المفاهيم الشائعة للخلايا المزدوجة  (tandem)، إذ تهدف إلى زيادة التيار داخل خلية السيليكون نفسها بدلاً من إنشاء خليتين منفصلتين.

📚  المصدر:

المقال مأخوذ ومترجم من موقع:  pv magazine Latin America

الاقتباس العلمي للمقال:

Nagaya, N., Lee, K., Perkinson, C. F., Li, A., Lee, Y., Zhong, X., Lee, S., Weisburn, L. P., Wang, J. Z., Baikie, T. K., Bawendi, M. G., Van Voorhis, T., Tisdale, W. A., Kahn, A., Seo, K., & Baldo, M. A. (2025). Exciton fission enhanced silicon solar cell. Joule, 101965. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101965
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125001461)