هل يمكن للنحاس أن يحل محل الفضة في الخلايا الشمسية؟

مقدمة: معضلة التكلفة في تقنيات الخلايا المتقدمة

مع انتقال الصناعة إلى تقنيات خلايا أكثر كفاءة مثل TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)  أو الخلايا ذات التلامس المُمرَّر عبر أكسيد النفق، برز تحدٍ اقتصادي مهم يتمثل في الاعتماد الكبير على الفضة (Silver – Ag) في التوصيلات المعدنية.

فالفضة، رغم كفاءتها العالية، تمثل أحد أهم مكونات التكلفة في الخلايا الشمسية، ما يدفع الباحثين إلى البحث عن بدائل أقل تكلفة دون التضحية بالأداء.

في هذا السياق، قدمت دراسة حديثة في الولايات المتحدة خطوة مهمة نحو استخدام النحاس (Copper – Cu)  كبديل محتمل، مع تحقيق كفاءة وصلت إلى 24.3%، وهي قريبة جدًا من أداء الخلايا المعتمدة على الفضة .

الفكرة الأساسية: استبدال الفضة بالنحاس دون خسارة الأداء

تعتمد الخلايا الجديدة على تصميم هجين يجمع بين:

• تلامسات أمامية من الفضة (Ag)
• تلامسات خلفية من النحاس (Cu)

لكن التحدي الرئيسي كان في:

مقاومة التلامس  (Contact Resistivity)، أي مقاومة انتقال التيار بين شبه الموصل والمعدن؛ حيث أن النحاس بطبيعته أكثر عرضة لمشاكل مثل:

• الانتشار داخل البنية (Diffusion)
• زيادة الفقد الكهربائي

الحل التقني: تقنية  LECO

للتغلب على هذه المشكلة، استخدم الباحثون تقنية متقدمة تُعرف باسم:

LECO (Laser-Enhanced Contact Optimization) أي  تحسين التلامس باستخدام الليزر

تعتمد هذه التقنية على:

• تسليط نبضة ليزر عالية الشدة
• تطبيق جهد عكسي (Reverse Bias) يتجاوز 10 فولت

ما يؤدي إلى:

• تمرير تيار قوي عبر نقاط التلامس
• تقليل مقاومة التلامس بشكل كبير

📉  النتيجة:
انخفاض مقاومة التلامس من نحو 300 mΩ·cm²  إلى ~10mΩ·cm² ؛  وهو تحسن جوهري في الأداء الكهربائي

عملية التصنيع: توافق مع خطوط الإنتاج الحالية

من أهم مزايا هذا التطور أنه لا يتطلب تغييرًا جذريًا في خطوط الإنتاج، حيث:

• تم استخدام تقنية الطباعة بالشاشة (Screen Printing)
• تطبيق معاجين نحاس قابلة للحرق (Fire-through Cu paste)
• درجات حرارة معالجة أقل (500–600°C) لتجنب انتشار النحاس

ومن الجدير بالذكر أ هذه العملية يمكن تطبيقها كنموذج Plug-and-Play  داخل المصانع الحالية

النتائج: أداء قريب من الفضة… بتكلفة أقل

أظهرت النتائج أن الخلايا المحسّنة بالنحاس حققت:

• كفاءة 24.3%
• فرق طفيف فقط (0.2–0.3%) مقارنة بخلايا الفضة
• استقرار حراري ممتاز حتى 1000 ساعة عند 200°C

كما أظهرت تحاليل:

• تحسن في جودة التلامس (EL Imaging)
• انخفاض المقاومة التسلسلية (Series Resistance – Rs)
• استقرار الجهد والتيار

التحديات: ما الذي لا يزال قائمًا؟

رغم هذا التقدم، لا تزال هناك بعض القيود التقنية، مثل:

• مقاومة تلامس أعلى قليلًا مقارنة بالفضة
• حساسية الأداء لدرجة حرارة المعالجة
• الحاجة إلى تحسين تغطية التلامس الخلفي

لكن هذه التحديات تبدو قابلة للمعالجة هندسيًا.

دلالات استراتيجية: هل نحن أمام تحول في الصناعة؟

هذا التطور قد يحمل تأثيرات كبيرة على صناعة الطاقة الشمسية:

• تقليل الاعتماد على الفضة كمادة نادرة ومكلفة
• خفض تكلفة إنتاج الخلايا المتقدمة
• تسريع انتشار تقنيات TOPCon على نطاق أوسع
• الانتقال من تحسين الكفاءة فقط إلى تحسين هيكل التكلفة بالكامل

خلاصة تحليلية

ما تقدمه هذه الدراسة ليس مجرد تحسين تقني، بل خطوة نحو إعادة تشكيل اقتصاديات تصنيع الخلايا الشمسية.

فإذا تمكنت الصناعة من:

• الحفاظ على كفاءة عالية
• مع استبدال مواد مرتفعة التكلفة

فإن ذلك قد يؤدي إلى:

انخفاض كبير في تكلفة الطاقة الشمسية عالميًا

📚  المصدر

Ok, Y.-W., Zhong, R., Upadhyaya, V., Mulkaluri, V. S. A., Rohatgi, A., Williams, D., Elmer, K., Nambo, A., Dharmadasa, R., Druffel, T., Stradins, P., & Guthrey, H. (2026). >24% screen printed Cu contacted n-TOPCon solar cells with successful implementation of LECO process. Solar Energy Materials and Solar Cells, 302, 114356. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2026.114356