حد ۳۳٫۷ درصدی شاکلی-کوایسر: چرا سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نمی‌توانند نور خورشید بیشتری را به برق تبدیل کنند

در سال ۱۹۶۱، در شرکت شاکلی سمی‌کانداکتور، فیزیکدانان ویلیام شاکلی و هانس-یواخیم کوایسر یک سقف ریاضی سخت را محاسبه کردند که آینده انرژی جهانی را رقم می‌زد. آنها نشان دادند که یک سلول خورشیدی استاندارد، با استفاده از یک پیوند p-n منفرد، هرگز نمی‌تواند بیش از کسر مشخصی از نور خورشید ورودی را به برق تبدیل کند. همانطور که محققان ژان-فرانسوا گیلمول و همکارانش در «نیچر فوتونیکس» اشاره می‌کنند، «مدل شاکلی-کوایسر یک نقطه عطف در تحلیل دستگاه‌های فتوولتائیک است که یک وضعیت ایده‌آل را به عنوان مرجع برای سلول‌های خورشیدی واقعی تعریف می‌کند.» این مرز ثابت کرد که حتی یک سلول تک‌پیوندی که به طور کامل مهندسی شده باشد، حداکثر بازدهی ۳۳٫۷٪ خواهد داشت. از زمان انتشار آن، این رقم به معیار نهایی برای تحقیقات فتوولتائیک تبدیل شده و محدودیت‌های فیزیکی تولید انرژی تجدیدپذیر را تعریف می‌کند.[1][4][5]

منطق زیربنایی این محدودیت ریشه در اصل «تعادل جزئی» دارد، که شار فوتون‌های ورودی به یک دستگاه را با شار ذرات خروجی از آن برابر می‌داند. نور خورشید یک پرتو یکنواخت از انرژی نیست؛ بلکه طیف گسترده‌ای از فوتون‌ها با سطوح انرژی متفاوت است. هنگامی که این فوتون‌ها به یک نیمه‌رسانا مانند سیلیکون برخورد می‌کنند، باید انرژی کافی برای جدا کردن یک الکترون از پیوند اتمی خود را داشته باشند، آستانه‌ای که به عنوان «شکاف باند» شناخته می‌شود. اگر فوتونی فاقد این حداقل انرژی (تقریباً ۱٫۱ الکترون ولت) باشد، به سادگی از ماده عبور می‌کند، گویی شفاف است، و هیچ کمکی به جریان الکتریکی نمی‌کند.[1][6]

در مقابل، هنگامی که یک فوتون انرژی بیشتری از آنچه شکاف باند نیاز دارد حمل می‌کند، انرژی اضافی به برق تبدیل نمی‌شود. در عوض، این انرژی به سرعت از طریق فرآیندی به نام «گرمایش» (Thermalization) به صورت گرما از دست می‌رود. از آنجا که طیف خورشیدی حاوی مقدار زیادی نور آبی و فرابنفش پرانرژی است، این اتلاف گرمایشی بسیار عظیم است. شاکلی و کوایسر محاسبه کردند که تنها این دو عامل – عبور فوتون‌های کم‌انرژی و گرمایش فوتون‌های پرانرژی – تقریباً ۴۷٪ از انرژی خورشیدی ورودی را قبل از اینکه بتوان از آن استفاده کرد، از بین می‌برند.[4][5]

انرژی باقی‌مانده مشمول سومین جریمه اجتناب‌ناپذیر است: «بازترکیب تابشی». در هر نیمه‌رسانایی، الکترون‌هایی که به حالت رسانا برانگیخته شده‌اند، در نهایت به موقعیت‌های اصلی خود بازمی‌گردند و در این فرآیند یک فوتون ساطع می‌کنند. مدل تعادل جزئی فرض می‌کند که یک سلول خورشیدی باید در تعادل حرارتی با محیط خود باشد، به این معنی که باید تابش ساطع کند، همانطور که آن را جذب می‌کند. این بازترکیب اجباری به عنوان یک نشت بنیادی در سیستم عمل می‌کند، حداکثر ولتاژی را که سلول می‌تواند تولید کند محدود کرده و سقف ۳۳٫۷٪ را برای یک ماده ایده‌آل با شکاف باند ۱٫۳۴ تا ۱٫۴ الکترون ولت نهایی می‌کند.[1][4]

سیلیکون، ماده‌ای که بر صنعت خورشیدی مدرن تسلط دارد، با یک نقص ریاضی جزئی کار می‌کند. شکاف باند آن ۱٫۱ الکترون ولت است که برای تطابق کامل با طیف خورشیدی کمی باریک است. در نتیجه، حد نظری شاکلی-کوایسر به طور خاص برای یک سلول سیلیکونی تک‌پیوندی نزدیک به ۳۲٪ است. با این حال، حتی این سقف پایین‌تر نیز کاملاً خارج از دسترس تولید تجاری باقی مانده است. پیشرفته‌ترین ماژول‌های سیلیکونی موجود در حال حاضر حداکثر بازدهی بین ۲۴٪ تا ۲۶٫۸٪ دارند، که شکاف قابل توجهی بین کمال نظری و واقعیت عملی باقی می‌گذارد.[5]

این اختلاف به این دلیل وجود دارد که مدل اصلی سال ۱۹۶۱ یک جهان بی‌نقص را توصیف می‌کند. حد شاکلی-کوایسر فرض می‌کند که بازترکیب تابشی تنها سازوکار اتلاف موجود است. این مدل فرض می‌کند که مقاومت الکتریکی در تماس‌های سلول صفر است، جذب کامل تمام نور بالاتر از شکاف باند وجود دارد و هیچ ناخالصی در شبکه بلوری نیست. در دنیای واقعی، سلول‌های سیلیکونی از «بازترکیب غیرتابشی» رنج می‌برند، جایی که الکترون‌ها انرژی خود را به جای ساطع کردن نور، به نقص‌های موجود در ماده از دست می‌دهند. آنها همچنین با مقاومت انگلی ناشی از سیم‌های فلزی مورد نیاز برای انتقال جریان مواجه هستند.[3][6]

پذیرش این واقعیت‌های تجربی، بحث را از یک حد نظری به یک سقف عملی تغییر می‌دهد. هنگامی که محققان بازترکیب اوژه (Auger recombination) اجتناب‌ناپذیر – نوع خاصی از اتلاف غیرتابشی ذاتی در سیلیکون با ناخالصی بالا – و سایه‌اندازی نوری ناشی از تماس‌های سطحی را در نظر می‌گیرند، حداکثر بازدهی مطلق برای یک سلول سیلیکونی تقریباً به ۲۹٪ کاهش می‌یابد. از آنجا که تولید تجاری نمی‌تواند شرایط آزمایشگاهی را کاملاً تکرار کند، صنعت به سرعت در حال نزدیک شدن به یک توقف سخت است، جایی که تزریق سرمایه بیشتر به پالایش سیلیکون استاندارد، بازدهی کاهشی خواهد داشت.[7]

درک این واقعیت که سیلیکون تک‌پیوندی در حال نزدیک شدن به نقطه فرسودگی فیزیکی خود است، صنعت فتوولتائیک را مجبور کرده تا معماری بنیادی خود را تغییر دهد. اگر حد شاکلی-کوایسر به شدت برای یک پیوند p-n منفرد اعمال می‌شود، راه گریز ریاضی این است که چندین پیوند را روی هم قرار دهیم. این رویکرد، که به عنوان «سلول خورشیدی تاندوم» شناخته می‌شود، طیف خورشیدی را به بخش‌های متمایز تقسیم می‌کند و یک ماده خاص را برای برداشت هر بخش با حداکثر بازدهی اختصاص می‌دهد.[4][7]

در یک پیکربندی تاندوم معمولی، یک ماده با شکاف باند گسترده در بالای پایه سیلیکونی استاندارد قرار می‌گیرد. لایه بالایی فوتون‌های آبی و سبز پرانرژی را جذب می‌کند، آنها را با ولتاژ بالا به برق تبدیل کرده و به شدت اتلاف گرمایشی را کاهش می‌دهد. فوتون‌های قرمز و فروسرخ کم‌انرژی از این لایه بالایی عبور کرده و توسط سیلیکون زیرین جذب می‌شوند. با تقسیم کار، یک سلول تاندوم دوپیوندی، حد بازدهی نظری را از ۳۳٫۷٪ تا تقریباً ۴۵٪ افزایش می‌دهد.[5][6]

مواد پروسکایت به عنوان کاندیدای غالب برای لایه بالایی در این ساختارهای تاندوم ظهور کرده‌اند. برخلاف نیمه‌رساناهای سنتی، پروسکایت‌ها را می‌توان از محلول سنتز کرد و شکاف باند آنها به راحتی با تغییر ترکیب شیمیایی قابل تنظیم است. این امر به مهندسان اجازه می‌دهد تا لایه پروسکایت را برای تکمیل سیلیکون زیرین کاملاً کالیبره کنند. پیشرفت‌های اخیر آزمایشگاهی، سلول‌های تاندوم پروسکایت-سیلیکون را از مرز ۳۴٫۸٪ عبور داده‌اند و رسماً حد شاکلی-کوایسر تک‌پیوندی را شکسته‌اند و دوام رویکرد چندپیوندی را اثبات کرده‌اند.[7]

فراتر از سلول‌های تاندوم، محققان همچنین در حال بررسی هندسه‌های نانوساختار برای دستکاری نور در مقیاس زیرطول‌موج هستند. با مهندسی سطح سلول خورشیدی با نانوسیم‌ها یا بلورهای فوتونیک، می‌توان عوامل تمرکز نوری داخلی ۱۰۰۰ برابری یا بیشتر ایجاد کرد. این امر نور را مجبور می‌کند تا به صورت داخلی جهش کند، احتمال جذب را افزایش داده و اجازه می‌دهد سلول به طور قابل توجهی نازک‌تر ساخته شود. در حالی که سلول‌های نانوساختار همچنان از نسخه تعمیم‌یافته حد تعادل جزئی پیروی می‌کنند، آنها مسیری را برای به حداکثر رساندن ولتاژ و به حداقل رساندن استفاده از مواد، بدون پیچیدگی انباشت چندین نیمه‌رسانای مختلف، ارائه می‌دهند.[2][7]

حد شاکلی-کوایسر نه به عنوان یک شکست مهندسی، بلکه به عنوان یک حسابرسی دقیق از قوانین ترمودینامیک عمل می‌کند. این حد دقیقاً مشخص می‌کند که انرژی در کجا از دست می‌رود و تغییرات ساختاری مورد نیاز برای جذب آن را دیکته می‌کند. با شتاب گرفتن گذار انرژی جهانی، تغییر از سیلیکون تک‌پیوندی به ساختارهای تاندوم و نانوساختار، نشان‌دهنده بلوغ ضروری صنعت است. عصر بعدی انرژی خورشیدی کاملاً به این بستگی دارد که تولیدکنندگان با چه اثربخشی می‌توانند این مواد را در مقیاس انباشته کنند.[4][7]