مدت زمان مطالعه این متن: ۵ دقیقه و ۳۷ ثانیه



ویفر سیلیکونی سیاه ۱۰ میکرومتری به صورت مستقل (سمت چپ) و تصویری از سطح نانوبافت آن با میکروسکوپ الکترونی روبشی (سمت راست).



هزینه تولید پنل‌های خورشیدی در چهار دهه گذشته به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته است و این باعث شده افراد بیشتری بتوانند سلول‌های خورشیدی را نصب کنند. با این حال، از آنجا که بیشتر روش‌های ساده برای کاهش هزینه‌ها اجرا شده‌اند، پیدا کردن راه‌های جدید برای کاهش هزینه‌ها سخت‌تر شده است. یکی از روش‌های موثر برای کاهش هزینه‌ها، کم کردن ضخامت ویفرهای سیلیکونی است. ویفرهای نازک‌تر به این معناست که می‌توان تعداد بیشتری ویفر از یک شمش سیلیکون تولید کرد. در حال حاضر، ضخامت متوسط ویفرها حدود ۱۵۵ میکرومتر است و پژوهشگران موفق شده‌اند این ضخامت را تا ۴۰ میکرومتر کاهش دهند بدون اینکه افت عملکردی را مشاهده کنند. اما از آنجا که سیلیکون در جذب نور با طول‌موج‌های بلند ضعیف عمل می‌کند، کاهش بیشتر ضخامت می‌تواند جذب نور را دچار مشکل کند.
یکی از راه‌حل‌ها برای این چالش، استفاده از سیلیکون سیاه است. سیلیکون سیاه ماده‌ای است که سطح آن با ساختاری سوزنی‌شکل تغییر داده شده است. این ساختار، بازتاب طبیعی بالای سیلیکون را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود هنگام مشاهده، سیاه به نظر برسد (به همین دلیل به آن سیلیکون سیاه می‌گویند).
سیلیکون سیاه ابتدا به‌عنوان یک اثر جانبی ناخواسته در فرایند اچینگ یونی واکنشی کشف شد. اما امروزه به دلیل توانایی بالای آن در به دام انداختن نور، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ویژگی باعث می‌شود سیلیکون سیاه بتواند نور را در طیف گسترده‌تری از طول‌موج‌ها جذب کند و این ویژگی در شرایط نوری ضعیف یک مزیت مهم به شمار می‌آید. برای تولید سیلیکون سیاه از چندین روش اچینگ استفاده می‌شود. اما برای ساخت سلول‌های خورشیدی بسیار نازک و کارآمد، به نظر می‌رسد روش اچینگ یونی واکنشی عمیق (DRIE) در دماهای بسیار پایین بهترین روش ممکن باشد. این روش نه تنها کمترین آسیب را به سطح سیلیکون وارد می‌کند، بلکه در آن مقدار کمی از سیلیکون نیز برای ایجاد سطح بافت‌دار مصرف می‌شود.
در یک مقاله علمی جدید که با دسترسی آزاد منتشر شده است، محققانی از دانشگاه پلی‌تکنیک کاتالونیا در اسپانیا و دانشگاه آلتو فنلاند از سیلیکون سیاه برای ساخت زیرلایه‌های فوق نازک برای استفاده در سلول‌های خورشیدی پیشرفته با تماس پشتی متداخل (IBC)  استفاده کرده‌اند. دلیل اینکه این پژوهشگران روی سلول‌های خورشیدی IBC  تمرکز کردند، این است که این پیکربندی می‌تواند بازده بالاتری را ارائه دهد. در این طراحی، بخشی یا تمام شبکه‌های تماس جلویی به پشت دستگاه منتقل می‌شوند و این کار باعث کاهش سایه‌زنی در سطح جلویی سلول می‌شود.
برای ساخت زیرلایه‌های فوق نازک، پژوهشگران ابتدا باید این چالش را حل می‌کردند که ویفرهای سیلیکونی بسیار نازک نمی‌توانند به‌طور مستقیم توسط تجهیزات استاندارد پردازش شوند و نیاز به پشتیبانی مکانیکی موقت دارند. بنابراین، برای تمامی نمونه‌هایی که در این مطالعه پردازش شدند، پژوهشگران زیرلایه‌های فوق نازک را در طی فرایند DRIE با استفاده از فوتورزیست مثبت استاندارد به ویفرهای سیلیکونی کریستالی ۴ اینچی پولیش شده متصل کردند. پژوهشگران در این باره نوشتند: «این روش تماس حرارتی مناسبی را که در فرایند کرایوژنیک DRIE لازم است، فراهم کرد و در عین حال امکان جدا کردن آسان زیرلایه‌ها پس از اتمام پردازش را نیز به ما داد»
پژوهشگران با استفاده از این روش موفق به تولید زیرلایه‌هایی با سه ضخامت ۴۰، ۲۰، و ۱۰ میکرومتر شدند. با این حال، آن‌ها مشاهده کردند که هنگام پردازش زیرلایه‌های ۲۰ و ۱۰ میکرومتری، گاهی حباب‌هایی بین زیرلایه و ویفر پشتیبان گیر می‌کند و باعث شکستگی یا جدا شدن زیرلایه‌ها می‌شود. برای حل این مشکل، آن‌ها روی ویفر پشتیبان یک شبکه مربعی دارای شیارهای کم‌عمق حک کردند تا این شیارها مسیری برای خروج گازهای به دام افتاده باشد.
در مقایسه با زیرلایه‌های سیلیکونی بدون بافت، تمام زیرلایه‌های سیلیکون سیاه توانایی جذب نور بهتری از خود نشان دادند و جذب آن‌ها در طیف فرابنفش مرئی تقریباً به ۱۰۰ درصد رسید. علاوه بر این، قابلیت جذب نور در زیرلایه‌های سیلیکون سیاه به سمت طیف مادون قرمز نیز گسترش یافت. برای زیرلایه‌های بدون بافت، جذب نور در ویفرهای ۱۰ میکرومتری از حدود ۶۰۰ نانومتر و در ویفرهای ۴۰ میکرومتری از حدود ۸۰۰ نانومتر شروع به کاهش می‌کرد. در مقابل، برای زیرلایه‌های سیلیکون سیاه، این کاهش جذب در ویفر ۱۰ میکرومتری از حدود ۸۰۰ نانومتر و در ویفر ۴۰ میکرومتری از حدود ۹۲۵ نانومتر آغاز شد.
زمانی که یک بازتابنده پشتی به سامانه اضافه شد که نور را به داخل سلول باز ‌تاباند و احتمال جذب را افزایش دهد،  قابلیت جذب نور در تمامی موارد به طیف مادون قرمز نیز گسترش یافت. پژوهشگران اشاره کردند که مقادیر جذب گزارش‌شده با بازتابنده پشتی می‌تواند نشان‌دهنده پتانسیل جذب یک سلول در بهترین شرایط باشد. لازم به ذکر است که نتایج گزارش‌شده آن‌ها با حد جذبYablonovitch ۴n&sup۲;  نیز همخوانی داشت. حد Yablonovitch ۴n&sup۲; پارامتری است که بیشینه تقویت جذب را از طریق به‌دام‌اندازی نور تعریف می‌کند. این قانون بیان می‌کند که با استفاده از ایجاد بافت ایده‌آل روی سطح و بازتاب پشت، جذب در یک ماده با ضریب جذب پایین می‌تواند تا فاکتور ۴n&sup۲; (در این رابطه n ضریب شکست ماده است ) نسبت به جذب تک‌مسیر افزایش یابد.
پژوهشگران در این مقاله اذعان داشته‌اند که در این پژوهش بازتاب تجربی با یک بازتابنده پشتی فقط با بافت‌دهی روی سطح جلویی ویفر سیلیکون سیاه، نزدیک به حد ۴n&sup۲; بوده است. با توجه به نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران یک سلول خورشیدیIBC  با استفاده از زیرلایه‌های سیلیکون سیاه ۴۰ میکرونی ساختند. در این طرح مفهومی،  لایه‌های انتقال حفره و الکترون شامل اکسید وانادیوم و لایه‌های سیلیکون کاربید آلاییده با  فسفر بود و لایه غیرفعال‌سازی سطحی از جنس اکسید آلومینیوم و سیلیکون کاربید انتخاب شده بود. این سلول خورشیدی بر پایه سیلیکون سیاه به خواص زیر دست یافت:

• بازده تبدیل توان: ۱۶.۴ درصد
• ولتاژ مدار باز: ۶۳۳ میلی ولت
• چگالی جریان اتصال کوتاه:۳۵.۴ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع
• ضریب پرشدگی: ۷۳.۴ درصد

در مقابل، سلول خورشیدی بدون سیلیکون سیاه خواص زیر را از خود نشان داد:

• بازده: ۱۱.۵ درصد
• ولتاژ مدار باز: ۶۰۰ میلی ولت
• چگالی جریان اتصال کوتاه: ۲۷.۱ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع
• ضریب پرشدگی: ۷۰.۷ درصد

بر اساس خصوصیات نوری ویفر، این سلول بازده کوانتومی خارجی مورد انتظار را، یعنی بازده تبدیل فوتون‌های ورودی به جریان الکتریکی، محقق نکرد. پژوهشگران این عملکرد پایین‌تر از حد انتظار را به چند عامل در فرآیند ساخت دستگاه نسبت دادند:

1. مراحل تمیزکاری پیاپی منجر به خوردگی بیشتر زیرلایه و تغییر در ساختار نانویی مطلوب شد.
2. لایه‌های چندگانه پوششی روی زیرلایه بافت‌دار باعث کاهش کنتراست ضریب شکست و عدم تطابق امپدانس شدند، که اثر پراکندگی زیرلایه را کاهش داد.
3. رسوب‌دهی لایه‌های نازک باعث پر شدن فواصل بین نانوستون‌های سیلیکونی شد و در نتیجه سطح بافت‌دار هموار شد.

مقاله مرجع:
Garín, M., Fernández-Codina, G., Orpella, A., et al. (۲۰۲۳). Black Ultra-Thin Crystalline Silicon Wafers Reach the ۴n&sup۲; Absorption Limit–Application to IBC Solar Cells. Small, ۱۹(۳۹), ۲۳۰۲۲۵۰.
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/black-silicon-wafers-significantly-improve-efficiency-of-ultrathin-solar-cells/

ترجمه: مهندس فاطمه حسن آقائی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی