معالجة الليزر فائقة السرعة للخلايا الشمسية الرقيقة من الجيل التالي

يعتمد تطور تصنيع الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة بشكل متزايد على تقنيات المعالجة بالليزر المتقدمة. ومن بينها،الليزر فائق السرعةبرزت أنظمة البيكو ثانية والفيمتو ثانية، وخاصةً أنظمة البيكو ثانية والفيمتو ثانية، كأدوات تحويلية لهيكلة وتحسين الخلايا الشمسية القائمة على مواد مثل سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (سيج) والبيروفسكايت. وتساهم قدرتها الفريدة على توفير دقة فائقة مع أدنى حد من التأثير الحراري في معالجة التحديات الحرجة في معالجة هذه المواد الحساسة في كثير من الأحيان، مما يساهم بشكل مباشر في تحسين أداء الجهاز وإطالة عمره.

تفوق ليزر البيكو ثانية والفيمتوثانية

الميزة الأساسية لـالليزر فائق السرعةتكمن في مدة نبضاتها. تُصدر هذه الليزرات دفقات ضوئية قصيرة للغاية، تُقاس بالبيكو ثانية (١٠⁻¹² ثانية) أو فيمتو ثانية (١٠⁻¹⁵ ثانية)، وتُرسِب الطاقة في المادة بسرعة أكبر بكثير من الوقت اللازم لانتشار الحرارة في المنطقة المحيطة. ينتج عن هذا آلية استئصال تعتمد بشكل أساسي علىغير حراري، تتميز بالتحول المباشر من الحالة الصلبة إلى البخار. وبالتالي،المنطقة المتأثرة بالحرارة (هاز)يتم تقليلها بشكل كبير أو القضاء عليها تمامًا.

يُعد هذا تحسينًا كبيرًا مقارنةً بليزرات النانو ثانية التقليدية، التي تُسبب نبضاتها الأطول انصهارًا وتشققًا وتأثيرات حرارية غير مرغوب فيها على طول الحواف المعالجة. بالنسبة لطبقات الأغشية الرقيقة متعددة الطبقات، حيث لا يتجاوز سمك كل طبقة ميكرونًا واحدًا، وتتميز بخصائص حرارية وبصرية مميزة، فإن هذه الدقة ليست مفيدة فحسب، بل ضرورية أيضًا لإنتاج خصائص كهربائية نقية ومثالية.

اختيار الطول الموجي الاستراتيجي للمعالجة الخاصة بالمواد

تعتمد فعالية معالجة الليزر بشكل متساوٍ على اختيار الطريقة المناسبةطول موجة الليزر، إذ يُحدد كيفية تفاعل الضوء مع طبقات المادة المختلفة. غالبًا ما يكون الهدف هو إزالة طبقة محددة بشكل انتقائي دون إتلاف الطبقة التحتية أو الأغشية المجاورة. يتطلب هذا طولًا موجيًا يمتصه الجسم المستهدف بقوة، بينما تنقله المواد الأخرى.

على سبيل المثال،الليزر الأخضر (532 نانومتر)فعالة للغاية في تشكيل طبقة الامتصاص في هياكل مثل سيج على قطب أمامي من أكسيد موصل شفاف (التكلفة الإجمالية للملكية). يمر الضوء الأخضر عبر أكسيد موصل شفاف (التكلفة الإجمالية للملكية) (الذي عادةً ما يكون شفافًا للضوء المرئي) ويتم امتصاصه بقوة بواسطة طبقة سيج، مما يتيح تشكيلًا دقيقًا. على العكس من ذلك،أشعة الليزر فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية)(مثلًا، 343 نانومتر) تُوفر طاقة فوتونية عالية، وتمتصها بسهولة مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك البوليمرات والمعادن وأشباه الموصلات، مما يُمكّن من الاستئصال الدقيق بأقل عمق اختراق ووضوح فائق للخصائص. هذا يجعلها مثالية للعمليات الدقيقة على ركائز البوليمر المرنة، أو لتحديد أنماط معقدة على المواد الهشة.

التطبيق والأداء في المواد الشمسية الرئيسية

يؤدي الجمع بين النبضات فائقة السرعة واختيار الطول الموجي الاستراتيجي إلى فتح المجال أمام معالجة عالية الجودة لتقنيات الأغشية الرقيقة الرائدة:

• خلايا سيج الشمسية:في الترابط المتجانس لوحدات سيج، يلزم ثلاث خطوات للنمذجة (P1، P2، P3). قد يُسبب استخدام ليزرات النانو ثانية في هذه الخطوات أضرارًا حرارية، بما في ذلك تشققات دقيقة، ونتوءات على الحواف، وانتشار غير مرغوب فيه لعناصر مثل الموليبدينوم (شهر) وCIGS. قد يؤدي هذا إلى تحويلة وانخفاض الكفاءة. تُنتج ليزرات بيكو ثانية، بفضل منطقة التأثير المتغير (هاز) الضئيلة، خطوطًا أنظف وأكثر عزلًا كهربائيًا. وقد أثبتت الأبحاث أن ليزرات بيكو ثانية تُمكّن من إنشاء أخاديد واضحة المعالم ذات جدران جانبية مستقيمة على ركائز بولي إيميد مرنة (باي)، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام النقش الميكانيكي أو ليزرات النانو ثانية نظرًا لمرونة الركيزة وحساسيتها الحرارية.

  
  

• خلايا بيروفسكايت الشمسية:تتميز البيروفسكايتات بحساسيتها العالية للحرارة والعوامل البيئية. وتُعدّ الليزرات فائقة السرعة أساسيةً في كلٍّ من هندسة الأنماط والعيوب. على سبيل المثال،ليزر الإكسيمراستُخدم ليزر الأشعة فوق البنفسجية (نوع من ليزر الأشعة فوق البنفسجية) ذو طاقة نبضة واحدة عالية لإشعاع أغشية البيروفسكايت، مما أدى إلى انخفاض كبير في كثافة عيوب سطحها، وبالتالي تحسين كفاءة واستقرار الخلايا الشمسية الناتجة. تُعد الطبيعة غير الحرارية للاستئصال فائق السرعة أمرًا بالغ الأهمية لنمذجة طبقات البيروفسكايت دون تحلل المادة الهجينة العضوية وغير العضوية، مما يحافظ على خصائصها البصرية الإلكترونية الممتازة.

  
  

التوقعات المستقبلية والتحديات

يشير مسار تقنية الليزر في مجال الطاقة الكهروضوئية إلى اعتماد أوسع للأنظمة فائقة السرعة. ويبقى التحدي الرئيسي هواستثمار رأس المال، وهو أعلى من مثيله في الأنظمة القائمة على النانو ثانية. ومع ذلك، يُعوّض هذا بشكل متزايد من خلال زيادة إنتاجية الإنتاج، وكفاءة الأجهزة، وموثوقية العمليات. ومن المرجح أن تركز التطورات المستقبلية على زيادة طاقة وإنتاجية الليزرات فائقة السرعة لجعلها أكثر اقتصادية للإنتاج الضخم، بالإضافة إلى تحسين أنظمة توصيل الشعاع لتحقيق دقة وسرعة أكبر.

في الختام، أصبحت معالجة الليزر فائقة السرعة، المدعومة بتحكم دقيق في مدة النبضة وطول الموجة، تقنيةً لا غنى عنها لتطوير الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة. فمن خلال تمكين الاستئصال البارد والتفاعلات الخاصة بالمواد، تُمكّن هذه التقنية المصنّعين من الارتقاء بمستويات كفاءة ومتانة الجيل التالي من الخلايا الشمسية، مثل خلايا سيج والبيروفسكايت، مما يُقرّبنا من حلول طاقة شمسية أكثر قوةً واستدامة.