تقنية الطلاء في الخلايا الشمسية المصنوعة من الكالسيتونيت

في عام 2009، عندما بدأت خلايا الكالسيت الرقيقة بالظهور، كانت كفاءة التحويل 3.8% فقط، ثم ارتفعت بسرعة كبيرة، وبحلول عام 2018، تجاوزت الكفاءة المختبرية 23%. الصيغة الجزيئية الأساسية لمركب الكالكوجينيد هي ABX3، حيث يمثل الموقع A عادةً أيونًا فلزيًا، مثل Cs+ أو Rb+، أو مجموعة وظيفية عضوية، مثل (CH3NH3) و[CH(NH2)2]+؛ ويمثل الموقع B عادةً كاتيونات ثنائية التكافؤ، مثل أيونات Pb2+ وSn2+؛ ويمثل الموقع X عادةً أنيونات الهالوجين، مثل Br- وI- وCl-. بتغيير مكونات المركبات، يمكن ضبط عرض النطاق المحظور لمركبات الكالكوجينيد بين 1.2 و3.1 إلكترون فولت. يمكن نظرياً تحقيق كفاءة تحويل كهروضوئي عالية الكفاءة لخلايا الكالكوجينيد عند الأطوال الموجية القصيرة، عند دمجها مع خلايا ذات أداء تحويل متميز عند الأطوال الموجية الطويلة، مثل خلايا السيليكون البلوري غير المتجانس، مما يُمكّن من الوصول إلى كفاءة تحويل كهروضوئي تتجاوز 30%، متجاوزةً بذلك الحد النظري لكفاءة التحويل لخلايا السيليكون البلوري البالغة 29.4%. في عام 2020، حققت هذه البطارية المكدسة كفاءة تحويل بلغت 29.15% في مختبر هايمهولتز ببرلين، ألمانيا، وتُعتبر خلية الكالكوجينيد-السيليكون البلوري المكدسة إحدى أهم تقنيات البطاريات للجيل القادم.

تم تحقيق طبقة غشاء الكالكوجينيد بطريقة ثنائية الخطوات: أولاً، تم ترسيب أغشية مسامية من Pbl2 وCsBr على سطح خلايا الوصلات غير المتجانسة ذات الأسطح المسامية عن طريق التبخير المشترك، ثم غُطيت بمحلول هاليد عضوي (FAI، FABr) باستخدام تقنية الطلاء الدوراني. يتغلغل محلول الهاليد العضوي في مسام الغشاء غير العضوي المُرسب بالتبخير، ثم يتفاعل ويتبلور عند 150 درجة مئوية لتشكيل طبقة غشاء الكالكوجينيد. بلغ سمك غشاء الكالكوجينيد الناتج 400-500 نانومتر، وتم توصيله على التوالي مع خلية الوصلات غير المتجانسة الأساسية لتحسين مطابقة التيار. تتكون طبقات نقل الإلكترون على غشاء الكالكوجينيد من LiF وC60، تم الحصول عليهما بالتتابع عن طريق الترسيب الحراري للبخار، متبوعًا بترسيب طبقة عازلة من SnO2 بتقنية الترسيب الطبقي الذري، ثم ترسيب طبقة رقيقة من أكسيد القصدير الموصل (TCO) بتقنية الرش المغناطيسي كقطب أمامي شفاف. إن موثوقية هذه الخلية المكدسة أفضل من موثوقية خلية الكالكوجينيد أحادية الطبقة، ولكن لا يزال من الضروري تحسين استقرار طبقة الكالكوجينيد تحت التأثيرات البيئية لبخار الماء والضوء والحرارة.