سلول های خورشیدی پلی کریستال و دوپینگ آن‌ها با عناصر بیرونی گروه 5 جدول تناوبی

در سال‌های اخیر، دانشمندان موفق به ساخت طیف کثیری از فناوری‌های خورشیدی با مواد مختلف شده‌اند. یکی از این فناوری‌ها ساخت سلول های خورشیدی بر پایه کادمیوم تلوراید (CdTe) است. این ماده، یک ترکیب نیمه رسانای بلوری و پایدار، متشکل از کادمیم و تلوریم، است.

تولید برق با سلول‌‌‌‌‌‌‌ های‌‌‌‌‌‌‌ خورشیدی کادمیوم تلوراید اغلب بسیار کم هزینه است. فرآیندهای بسیاری در مراحل تولید برق با این سلول‌ها دخیل است، از جمله رسوب سریع CdTe در لایه جاذب، روش کادمیوم کلرید (CdCl2) و دوپینگ مس (Cu).

دوپینگ چیست؟

به فرآیند واردکردن ناخالصی‌ها به نیمه‌هادی به منظور تعدیل خصوصیاتِ الکتریکی، نوری و ساختاری آن دوپینگ (doping) می‌گویند. همانطور که از  نام آن پیدا است، دوپینگ مس به فرآیندی اطلاق می‌شود که ماده‌ای با استفاده از مس دوپ شود. اگرچه دوپینگ مس در بسیاری از سلول های خورشیدی کادمیوم تلوراید روی می‌دهد، این فرایند گاهی منجر به کاهش ولتاژ نور (photovoltage) و بی‌ثباتی الکتریکی می‌شود.

برخی از مهندسان به منظور کاهش محدودیت‌های ناشی از دوپینگ مس سعی در جایگزینی عناصر گروه 5 جدول تناوبی با مس داشته‌اند تا خصوصیات کادمیوم تلوراید تعدیل شود. در همین راستا، دستگاه‌های خورشیدی CdSeTe بسیار زیادی ساخته شده است که علی رغم تولید گرمای زیاد نتایج رضایت بخشی به همراه داشته‌اند (مثلاً بازدهی برخی از آن‌ها به بیش از 20% رسیده است). با این حال، این دستگاه‌ها کماکان محدودیت‌ها و چالش‌های خاص خود را دارند.

محققان دانشگاه‌های تولدو و آلاباما اخیراً متوجه شده‌‌اند که دوپینگ سلول ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های‌‌‌‌ خورشیدی CdSeTe با عناصر گروه 5، گرمای کمتری تولید کرده و بازدهی بیشتری دارد. نتایج تحقیقات آن‌ها، که در ژورنال Nature Energy منتشر شده است، می‌تواند راه را برای توسعه فناوری‌های خورشیدی CdSeTe دوپ‌ شده با عناصر گروه 5 هموار کند.

به ذعم محققان این پژوهش، «اگرچه بازدهی دستگاه‌های CdSeTe دوپ‌ شده با عناصر داخلی گروه 5 در دمای بالا، به بیش از 20% رسیده است، اما این دستگاه‌ها همچنان مشکلات دیگری به همراه دارند. موانعی از قبیل فرآیندهای فعال‌سازی دوپینگ پس از رسوب [در لایه‌های جاذب]، طول عمر کوتاه حامل و نسبت فعال‌سازی پایین». این محققان در ادامه توضیح دادند: «با استفاده از کلریدهای گروه 5، موفق شدیم دوپینگ سلول های خورشیدی CdSeTe را با عناصر داخلی گروه 5 انجام دهیم و در نتیجه بازدهی سلول را افزایش داده و در عین حال دما را پایین نگه داریم».

سلول های خورشیدی و عناصر یونی گروه 5

دِنگ بینگ لی و همکارانش در دانشگاه‌های تولدو و آلاباما، دوپینگِ سلول های خورشیدی CdSeTe را با استفاده از عناصر یونی گروه 5، یعنی کلریدهای این گروه، انجام دادند. این عناصر عبارتند از: فسفر تری‌کلرید (PCl3)، آرسنیک تری‌کلرید (AsCl3)، آنتیموان تری‌کلرید (SbCl3 )، و  بیسموت کلرید (BiCl3).

سلول‌‌‌‌‌‌ های‌‌‌‌‌ خورشیدی ایجاد شده توسط این تیم پژوهشی از نظر بازدهی، طول عمر حامل، و نسبت فعال‌سازی ناخالصی، نتایج چشمگیری به همراه داشتند. علاوه بر این، عملکرد آن‌ها در مقایسه با سلول های خورشیدی کادمیوم تلوراید دوپ شده با مس بسیار مطلوب بود.

طبق گزارش این محققان، «نتایج بدست آمده برای سلول های خورشیدی CdSeTe دوپ شده با AsCl3، به شرح زیر است: نسبت فعال‌سازی آلاینده به %88/5، تراکم حفره‌ها به بیش ازcm^-3 10¹⁵x2، و طول عمر حامل به بیش از 20 نانو ثانیه رسید. در نتیجه‌ی این بهینه سازی، ولتاژ مدار بازِ سلول های خورشیدی CdSeTe دوپ شده با آرسنیک تا 863 میلی ولت افزایش یافت، در حالی که بالاترین ولتاژ مدار باز برای سلول های خورشیدی CdSeTe دوپ شده با مس، 852 میلی ولت ثبت شده است».

فرآیند دوپینگ انتشار عناصر گروه 5 به کار رفته در این پژوهش، هزینه کمی دارد و در محیط‌هایی سرد قابل اجرا است. از طرف دیگر، این فرآیند شباهت بسیاری به فرآیندهای معمول با دوپینگ مس دارد، در نتیجه به راحتی می‌توان آن را در تاسیسات ساخت سلول های خورشیدی فعلی پیاده‌سازی کرد.

این مقاله می‌تواند الهام بخش پژوهش‌های بیشتر در سرتاسر جهان پیرامون طراحی و ارزیابی راهکارهای مشابه برای دوپینگ با عناصر گروه 5 باشد. در نهایت، این تحقیقات می‌توانند منجر به توسعه طیف گسترده‌ای از سلول های خورشیدی کادمیوم تلوراید پربازده شوند.