هل تصبح سبائك السيليكون المطعَّمة بالأنتيمون معيارًا جديدًا لرقائق الألواح الشمسية؟
مقدمة
مع انتقال صناعة الخلايا الشمسية إلى الرقائق الرفيعة عالية الكفاءة من نوع n-type، تتزايد الحاجة إلى مواد تجمع بين الأداء الكهربائي الممتاز والمتانة الميكانيكية العالية لتقليل الكسر أثناء التصنيع.
في هذا السياق، قدّم فريق بحثي دولي بقيادة الجامعة الوطنية الأسترالية ANU مقترحًا واعدًا: استخدام سيليكون من نوع n مطعَّم بعنصر الأنتيمون (Sb) بدلًا من الفوسفور التقليدي، مع سبائك تُسحب بطريقة (Czochralski – Cz) الشائعة في الصناعة.
الدراسة لم تكتفِ بقياس الخواص الكهربائية فقط، بل حلّلت أيضًا توزيع المقاومة النوعية على طول السبيكة و متانة الرقائق الميكانيكية، وهي عناصر حاسمة في جدوى أي مادة جديدة على خط الإنتاج.
ما المشكلة في رقائق السيليكون الحالية؟
تعتمد غالبية الألواح الشمسية المتقدمة اليوم على سيليكون أحادي البلورة من نوع n مطعَّم بالفوسفور. ورغم نضج هذه التكنولوجيا، إلا أن هناك تحديين رئيسيين:
- توزيع غير مثالي للمقاومة النوعية (Resistivity) على طول السبيكة، ما يقلل نسبة الجزء “القابل للاستخدام” من السبيكة.
- قابلية الكسر في الرقائق الرفيعة (مثل سماكة 140 ميكرومتر)، وهو ما يؤدي إلى فاقد في الإنتاج ويزيد التكلفة.
لذلك تبحث الصناعة عن مواد مطعَّمة بديلة تحافظ على جودة العمر التشغيبي للخلايا، وتوفّر متانة ميكانيكية أعلى وتوزيعًا أفضل للمقاومة.
لماذا الأنتيمون (Sb)؟ وما الجديد في هذه الدراسة؟
رغم أن استخدام الأنتيمون في الخلايا الشمسية يُعتبر جديدًا، إلا أنه التطعيم بمادة n-type معروف منذ زمن طويل في صناعة أشباه الموصلات. الجديد هنا هو:
- تطبيق Sb كمطعم رئيسي لسيليكون Cz مخصص لتطبيقات الطاقة الشمسية.
- إثبات أن تغيير المطعِّم من الفوسفور إلى الأنتيمون لا يضر بعمر الخلية (bulk lifetime) في الأعمال السابقة للفريق البحثي
- إظهار أن الرقائق المطعمة بالأنتيمون تمتلك متانة ميكانيكية أعلى قليلًا عند سماكة 140 μm مقارنة بالرقائق المطعمة بالفوسفور.
في هذه الدراسة الجديدة، ركّز الفريق على سؤال محدّد: كيف يمكن لسبيكة سيليكون مطعَّمة بعنصر ذو معامل توزع (Segregation Coefficient) منخفض مثل الأنتيمون أن تحقّق توزيع مقاومة نوعية متجانس على طول السبيكة؟
التحكم في تبخر الأنتيمون: مفتاح تجانس المقاومة النوعية
نظريًا، انخفاض معامل التوزع للأنتيمون يعني أن تركيزه يجب أن يتغيّر بقوة على امتداد السبيكة أثناء السحب، ما يؤدي إلى تفاوت كبير في المقاومة النوعية. لكن القياسات أظهرت العكس تمامًا: توزيع شبه منتظم للمقاومة.
باستخدام نمذجة معدَّلة لمعادلة شيل (Scheil’s equation) تأخذ في الحسبان التوزع والتبخر أثناء السحب البلوري، توصّل الباحثون إلى أن:
- السر يكمن في التحكُّم الدقيق في معدّل تبخّر الأنتيمون من سطح المصهور أثناء عملية السحب.
- هذا التحكم يعوّض طبيعة الأنتيمون منخفضة التوزع، ويقود إلى ملف تركيز أكثر تجانسًا على طول السبيكة دون الحاجة إلى “تطعيم مشترك” مع الفوسفور، كما كان يُعتقد سابقًا.
- التحليل باستخدام مطيافية الرنين البارامغناطيسي للإلكترون (EPR) أكد عدم وجود تطعيم مزدوج مهم، ما يدعم فرضية التبخّر المُتحكَّم به.
هذه النتيجة تُعدّ حلًا تقنيًا أنيقًا من منظور هندسة البلورات، وتوفّر أساسًا علميًا لتحسين استراتيجيات التطعيم في الأجيال القادمة من الرقائق.
متانة ميكانيكية أعلى وتقليل الكسر في التصنيع
اختبر الفريق القوة الانحنائية (Bending Strength) للرقائق باستخدام اختبار الانحناء ثلاثي النقاط، على رقائق:
- مطعَّمة بالأنتيمون (Sb-doped)
- مطعَّمة بالفوسفور (P-doped)
عند سماكة 140 μm، أظهرت الرقائق المطعَّمة بالأنتيمون متانة ميكانيكية أعلى قليلًا من نظيراتها المطعمة بالفوسفور.
بالنسبة للمصنّعين، هذه الزيادة البسيطة في المتانة تعني:
- تقليل نسبة الكسر أثناء عمليات القص، والطباعة، والمعالجات الحرارية.
- رفع الإنتاجية (Throughput) وتحسين العائد من السبيكة الواحدة.
- إمكانية الدفع أكثر نحو رقائق أرقّ دون التضحية بالاعتمادية الميكانيكية.
ماذا تعني النتائج لصناعة الألواح الشمسية؟
وفقًا للفريق البحثي، تشير النتائج المجمّعة من الأعمال السابقة والحالية إلى أن:
- الانتقال من الفوسفور إلى الأنتيمون كمطعِّم n-type لا يضر بعمر الخلية، ويحافظ على جودة الأداء الكهربي.
- تجانس المقاومة النوعية على طول السبيكة يتحسّن مع التطعيم بالأنتيمون عند التحكم في التبخر، ما يزيد نسبة الجزء القابل للاستخدام من السبيكة ويخفض التكاليف.
- المتانة الميكانيكية الأفضل للرقائق تقلل الفاقد أثناء التصنيع، وهو عامل اقتصادي حاسم في المصانع الضخمة.
كل ذلك يجعل الرقائق Cz من نوع n المطعَّمة بالأنتيمون مرشَّحًا قويًا لأن تصبح معيارًا صناعيًا في الجيل التالي من رقائق n-type عالية الأداء.
آفاق البحث المستقبلية
لا يزال الفريق يخطط لمزيد من الدراسات لاستكمال الصورة، تشمل:
- تأثير التطعيم بالأنتيمون على عمر الحاملات (Carrier Lifetime) وآليات إعادة الاتحاد (Recombination)
- دراسة استقرار الخواص الحرارية مقارنة بالرقائق المطعمة بالفوسفور خلال خطوات التصنيع الحرجة.
- تقييم على مستوى الخلية في تصميمات شمسية عالية الكفاءة، بما في ذلك الأداء الكهربي والاعتمادية طويلة الأمد.
مشاركة جهات صناعية وبحثية مثل LONGi، والمعهد الوطني الأميركي للطاقة المتجددة NREL، وكلية كولورادو للمناجم تعطي وزنًا تطبيقيًا لهذه النتائج، وتزيد احتمال انتقالها من المعمل إلى خطوط الإنتاج التجارية.
📚 المصدر:
المصدر العلمي الأصلي:
فاليري طومبسون، “Researchers develop antimony-doped n-type silicon ingots to enhance solar module mechanical strength”، مجلة PV Magazine، 5 نوفمبر 2025.
الرابط:
https://www.pv-magazine.com/2025/11/05/researchers-develop-antimony-doped-n-type-silicon-ingots-to-enhance-the-mechanical-strength-of-solar-modules/ pv magazine International
