DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34836-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593132
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Fatma M. Abdel Hamied وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام رقيقة من أشباه الموصلات الكالكوجينية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تصميمًا مبتكرًا لخلايا الشمسية الرقيقة من كوبر إنديوم غاليوم سيلينيد (CIGS) التي تتضمن جزيئات نانوية عازلة من أرسينيد الألمنيوم (AlAs) على السطح الأمامي. تبحث الدراسة في ثلاثة أشكال هندسية للجزيئات النانوية—مكعب، أسطواني، وكروي—بهدف تعزيز امتصاص الضوء العريض النطاق وكفاءة الجهاز بشكل عام. يتم تحسين المعلمات الهيكلية باستخدام خوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO) جنبًا إلى جنب مع محلل الزمن المحدد (FDTD) من Lumerical. تشير النتائج إلى أن تكوين الجزيئات النانوية المكعبة يحقق أعلى أداء، حيث يصل معدل الامتصاص المتوسط إلى 93.5%، مما يتوافق مع تحسين بنسبة 31.7% مقارنةً بالتصميم الأساسي.
يظهر تصميم CIGS TFSC المحسن مع جزيئات AlAs النانوية تحسينات كبيرة في الأداء الكهربائي، مع كثافة تيار دائرة قصيرة ($J_{SC}$) تبلغ 37.84 مللي أمبير/سم² وكفاءة تبلغ 17.6%، مما يعكس زيادات بنسبة 37.8% و40.3%، على التوالي. من الجدير بالذكر أن التصميم يحافظ على سلامة الهيكل الداخلي المسطح لـ CIGS، مما يقلل من خسائر إعادة التركيب ويبسّط تصنيع المواد النشطة ذات النانو. ومع ذلك، تعترف الدراسة بأن النتائج تستند إلى محاكاة ولا تأخذ في الاعتبار الاستقرار الحراري تحت ظروف التشغيل الفعلية. ستركز الأبحاث المستقبلية على التحقق التجريبي من التصميم المقترح من خلال تصنيع وتوصيف خلايا شمسية قائمة على CIGS مع جزيئات AlAs النانوية المدمجة، بالإضافة إلى توسيع إطار التحسين ليشمل الهياكل العازلة-البلازمونية الهجينة لتعزيز احتجاز الضوء وأداء الجهاز بشكل أكبر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الطلب المتزايد على الطاقة العالمية المدفوع بالنمو الصناعي وتوسع السكان، مما يبرز الحاجة إلى حلول طاقة موثوقة ومستدامة. من بين مصادر الطاقة المتجددة، تعتبر الطاقة الشمسية بارزة بشكل خاص لوفرتها واستدامتها وجدواها الاقتصادية. تتطلب تقنية خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، رغم انتشارها، مزيدًا من التقدم لتحقيق أجهزة منخفضة التكلفة وخفيفة الوزن وعالية الكفاءة. حاليًا، تستخدم معظم خلايا الطاقة الشمسية التجارية السيليكون البلوري (c-Si)، الذي، على الرغم من مزاياه، يتكبد تكاليف عالية بسبب عمليات التبلور المعقدة.
لتخفيف هذه التحديات، ظهرت خلايا الطاقة الشمسية الرقيقة (TFSCs)، التي تتميز بسماكة طبقة الامتصاص المخفضة بشكل كبير، مما يؤدي إلى أجهزة أخف وزنًا وأكثر مرونة وفعالية من حيث التكلفة. ومع ذلك، تواجه TFSCs قيودًا في امتصاص الضوء، خاصة عند الأطوال الموجية الأطول، مما يؤدي إلى كفاءات تحويل طاقة أقل (PCE) مقارنةً بالخلايا البلورية الضخمة. لتعزيز امتصاص الضوء، تم استكشاف استراتيجيات مختلفة لاحتجاز الضوء، بما في ذلك استخدام الجزيئات النانوية المعدنية أو العازلة، الهوائيات النانوية، الأسلاك النانوية، الهياكل النانوية المتدرجة، والعاكسات البلازمونية الخلفية. من الجدير بالذكر أن الجزيئات النانوية المعدنية يمكن أن تدعم رنين البلازمون السطحي المحلي (LSP) الذي يحسن امتصاص الضوء، على الرغم من أنها تعاني من مشاكل تتعلق بالخسائر الأومية والاستقرار.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق العددية المستخدمة لتقييم أداء هيكل الخلية الشمسية المقترحة (SC)، باستخدام كل من المحاكاة البصرية والكهربائية. يتم حساب الخصائص البصرية—الامتصاص، الانعكاس، النقل، وكثافة التيار الضوئي ($J_{ph}$)—باستخدام طريقة الزمن المحدد (FDTD) عبر برنامج Lumerical، الذي يحل معادلات ماكسويل عدديًا لنمذجة تفاعلات الموجات الكهرومغناطيسية مع الجهاز. يتم الحصول على المعلمات البصرية للمواد مثل الألمنيوم (Al)، كوبر إنديوم غاليوم سيلينيد (CIGS)، أكسيد الزنك (ZnO)، وأرسينيد الألمنيوم (AlAs) من الأدبيات والبيانات المعروفة. تغطي المحاكاة نطاق الطول الموجي من 300 نانومتر إلى 1100 نانومتر، مما يتوافق مع فجوة الطاقة لـ CIGS البالغة 1.07 إلكترون فولت، مع ظروف حدود دورية وطبقات متطابقة تمامًا (PMLs) لتقليل الانعكاسات.
لتحسين امتصاص الضوء، يتم استخدام تقنية تحسين سرب الجسيمات (PSO)، باستخدام الامتصاص المتكامل كمعيار للياقة. ثم يتم نقل ملف توليد الضوء إلى محلل كهربائي، وهو وحدة CHARGE، التي تحاكي نقل وجمع الحوامل الضوئية الناتجة عن طريق حل معادلات الانجراف والانتشار المترافقة ومعادلات بواسون. يتم حساب عامل التعبئة (FF) بناءً على الحد الأقصى للطاقة التي تقدمها SC وجهد الدائرة المفتوحة ($V_{OC}$). يتم التحقق من النتائج العددية مقابل البيانات التجريبية من خلايا الطاقة الشمسية من أسلاك السيليكون السداسية وخدمة سابقة نشرت دراسة عددية عن خلايا الطاقة الشمسية من أسلاك GaAs، مما يظهر توافقًا جيدًا ويؤكد موثوقية محلل CHARGE لتوصيف السلوك الكهروضوئي للتصميم المقترح.
نقاش
في هذا النقاش، تسلط الأبحاث الضوء على التقدم في خلايا الطاقة الشمسية الرقيقة (TFSCs) من خلال دمج الهياكل النانوية العازلة الرنانة، التي تعزز امتصاص الضوء وكفاءة الأداء بشكل عام. من الجدير بالذكر أن دراسة Ferhati وآخرون أظهرت زيادة بنسبة 50% في كفاءة الامتصاص في خلية شمسية من نوع ZnO/Si مع جزيئات Ag النانوية. أفادت الأعمال اللاحقة بتكوينات مختلفة، بما في ذلك TFSC قائم على Se حقق كفاءة تبلغ 14.7% مع طبقات من Ti وAu، وTFSC من نوع c-Si مع أسلاك نانوية عازلة حسنت كثافة التيار الضوئي بنسبة 82.2%. أدت إضافة الجزيئات النانوية البلازمونية والتصاميم المحسنة إلى تحقيق مكاسب كبيرة في الكفاءة عبر أنواع مختلفة من خلايا الطاقة الشمسية، حيث حققت بعض التكوينات كفاءات تصل إلى 29.6%.
تستكشف الأبحاث أيضًا تحسين TFSC من نوع CIGS المعزز بجزيئات AlAs العازلة ذات الأشكال الهندسية المختلفة (مكعب، أسطواني، وكروي). حققت الجزيئات النانوية المكعبة أعلى أداء، حيث حققت أكثر من 97% امتصاص وتحسين بنسبة 31.7% في الكفاءة مقارنةً بالتصاميم الأساسية. استخدمت الدراسة طريقة تحسين سرب الجسيمات (PSO) مع محاكاة الزمن المحدد (FDTD) لتعديل المعلمات الهندسية للجزيئات النانوية، مما أدى إلى تحسين احتجاز الضوء وتقليل الانعكاس. تؤكد النتائج على أهمية التعقيد الهندسي في الهياكل النانوية لتحسين تفاعلات الضوء والمادة، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين أداء خلايا الطاقة الشمسية مع الحفاظ على إمكانية التصنيع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34836-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593132
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Fatma M. Abdel Hamied et al.
Primary Topic: Chalcogenide Semiconductor Thin Films
Overview
This study presents an innovative design for copper indium gallium selenide (CIGS) thin-film solar cells (TFSC) that incorporates aluminum arsenide (AlAs) dielectric nanoparticles on the front surface. The research investigates three geometries of nanoparticles—cubic, cylindrical, and spherical—aiming to enhance broadband light absorption and overall device efficiency. The optimization of structural parameters is conducted using the particle swarm optimization (PSO) algorithm alongside the Lumerical finite-difference time-domain (FDTD) solver. The findings indicate that the cubic nanoparticle configuration yields the highest performance, achieving an average absorption rate of 93.5%, which corresponds to a 31.7% improvement over the baseline design.
The optimized CIGS TFSC design with AlAs nanoparticles demonstrates significant enhancements in electrical performance, with a short-circuit current density ($J_{SC}$) of 37.84 mA/cm² and an efficiency of 17.6%, reflecting increases of 37.8% and 40.3%, respectively. Notably, the design maintains the integrity of the internal planar CIGS structure, thereby minimizing recombination losses and simplifying the fabrication of nanostructured active materials. However, the study acknowledges that the results are based on simulations and do not consider thermal stability under actual operating conditions. Future research will focus on experimental validation of the proposed design through the fabrication and characterization of CIGS-based solar cells with integrated AlAs nanoparticles, as well as extending the optimization framework to include hybrid dielectric-plasmonic structures to further enhance light trapping and device performance.
Introduction
The introduction highlights the increasing global energy demand driven by industrial growth and population expansion, emphasizing the need for reliable and sustainable energy solutions. Among renewable energy sources, solar energy is particularly notable for its abundance, sustainability, and economic feasibility. Photovoltaic (PV) solar cell technology, while prevalent, requires further advancements to achieve low-cost, lightweight, and high-efficiency devices. Currently, most commercial solar cells utilize crystalline silicon (c-Si), which, despite its advantages, incurs high costs due to complex crystallization processes.
To mitigate these challenges, thin-film solar cells (TFSCs) have emerged, characterized by a significantly reduced absorber layer thickness, resulting in lighter, more flexible, and cost-effective devices. However, TFSCs face limitations in light absorption, especially at longer wavelengths, leading to lower power conversion efficiencies (PCE) compared to bulk crystalline cells. To enhance light absorption, various light-trapping strategies have been explored, including the use of metallic or dielectric nanoparticles, nanoantennas, nanowires, grating nanostructures, and plasmonic back reflectors. Notably, metallic nanoparticles can support localized surface plasmon (LSP) resonances that improve light absorption, although they are hindered by issues related to Ohmic losses and stability.
Methods
In this section, the authors detail the numerical methods employed to evaluate the performance of a proposed solar cell (SC) structure, utilizing both optical and electrical simulations. The optical characteristics—absorption, reflection, transmission, and photocurrent density ($J_{ph}$)—are computed using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method via Lumerical software, which numerically solves Maxwell’s equations to model electromagnetic wave interactions with the device. The optical parameters for materials such as aluminum (Al), copper indium gallium selenide (CIGS), zinc oxide (ZnO), and aluminum arsenide (AlAs) are sourced from established literature and databases. The simulations cover a wavelength range of 300 nm to 1100 nm, corresponding to the CIGS bandgap of 1.07 eV, with periodic boundary conditions and perfectly matched layers (PMLs) to minimize reflections.
To optimize light absorption, the Particle Swarm Optimization (PSO) technique is employed, using integrated absorption as a fitness criterion. The optical generation profile is then transferred to an electrical solver, specifically the CHARGE module, which simulates the transport and collection of photo-generated carriers by solving the coupled drift-diffusion and Poisson equations. The fill factor (FF) is calculated based on the maximum power delivered by the SC and the open-circuit voltage ($V_{OC}$). The numerical results are validated against experimental data from silicon hexagonal nanowire solar cells and a previously published numerical study on GaAs nanowire solar cells, demonstrating good agreement and confirming the reliability of the CHARGE solver for characterizing the optoelectronic behavior of the proposed design.
Discussion
In this discussion, the research highlights advancements in thin-film solar cells (TFSCs) through the integration of dielectric resonant nanostructures, which enhance light absorption and overall efficiency. Notably, the study by Ferhati et al. demonstrated a 50% increase in absorbance efficiency in a ZnO/Si heterojunction solar cell with Ag nanoparticles. Subsequent works reported various configurations, including a Se-based TFSC achieving 14.7% efficiency with Ti and Au layers, and a c-Si TFSC with dielectric nanowires that improved photocurrent density by 82.2%. The incorporation of plasmonic nanoparticles and optimized designs led to significant efficiency gains across different solar cell types, with some configurations achieving efficiencies as high as 29.6%.
The research further explores the optimization of a CIGS TFSC enhanced with AlAs dielectric nanoparticles of various geometries (cubic, cylindrical, and spherical). The cubic nanoparticles yielded the highest performance, achieving over 97% absorption and a 31.7% improvement in efficiency compared to baseline designs. The study employed a Particle Swarm Optimization (PSO) method combined with Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations to refine the geometrical parameters of the nanoparticles, resulting in enhanced light trapping and reduced reflection. The findings underscore the importance of geometric complexity in nanostructures for optimizing light-matter interactions, ultimately leading to improved solar cell performance while maintaining fabrication feasibility.