توجهت أنظار العلماء إلى بايرايت الحديد أو (ثاني كبريتيد الحديد)، الذي يشار إليه عادة باسم المعدن الذي يشبه الذهب، بسبب وفرته وتكلفته المنخفضة، الأمر الذي يجعله مناسبًا للاستخدام بهدف الاستفادة من طاقة الشمس. لكن، لم يبلغ الواقع مستوى التوقعات مع تواصل انخفاض كفاءة عملية تحويل البايرايت الحديدي، ما أعاق اعتماده على نطاق واسع في الخلايا الشمسية. أما الآن، فقد أثبت باحثون في العلوم من جامعة خليفة، بالتعاون مع باحثين من جامعة دبي وجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية، أنه يمكن أن تمتص الأغشية الرقيقة لثاني كبريتيد الحديد، كمية كبيرة من ضوء الشمس ما يجعلها مناسبة جدًا لتطبيقات الخلايا الشمسية.
سلطت نتائج البحث الذي نُشر تحت عنوان "النمذجة البصرية القائمة على الفيزياء للأغشية الرقيقة لثاني كبريتيد الحديد"، في المجلة العلمية "أي بي أل ماتيريلز" المصنّفة ضمن أفضل 5% من المجلات العلمية والتي ينشرها المعهد الأمريكي للفيزياء، الضوء على الإمكانات الكبيرة للأغشية الرقيقة ثاني كبريتيد الحديد في تطبيقات الخلايا الشمسية. وضم الفريق البحثي من جامعة خليفة كلًا من المستشار الرئيس الدكتور سعيد الحسن، أستاذ الهندسة الكيميائية والبترولية، والمستشار المشارك الدكتور عمار نايفة، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية، وطالب الدكتوراه عويس زكا، إلى جانب مجموعة من الباحثين هم، الدكتورة سابينا عبد الهادي، أستاذة مشاركة من جامعة دبي، وبراتيبها بال، مهندس بحوث، وداياناند كومار، زميل الدكتوراه، والدكتورة نازك العتاب، أستاذة مساعدة في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية.
استخدم الفريق مجموعة من التقنيات التجريبية لدراسة الأغشية الرقيقة لثاني كبريتيد الحديد وفجوة نطاقه، أو نطاق الأطوال الموجية الضوئية التي يمكن أن يمتصها، وهي خاصية مهمة تؤثر على أداء الأجهزة التي تجمع الضوء، وشملت هذه التقنيات، الأشعة السينية والتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية ونمذجة الكمبيوتر لبيانات القياس الإهليلجي لقياس التغيرات في استقطاب الضوء.
وضع الفريق أغشية رقيقة، باستخدام تقنية الترسيب بالرش التي تعمل بالترددات اللاسلكية بمساعدة البلازما على طبقة سفلية في مختبر الغرفة النظيفة بجامعة خليفة، حيث وجد الفريق بعد القيام بالمزيد من التحليل، أن أغشية ثاني كبريتيد الحديد تمتص كمية كبيرة من ضوء الشمس وأنها تمتلك فجوة نطاق تبلغ حوالي 1.16 إلكترون فولت، ما يجعلها مناسبة للاستخدام في الخلايا الشمسية، كما يمكن أن تحقق الأغشية الكثافة القصوى للتيار والتي تبلغ 38 ميللي أمبير لكل سنتيمتر مربع (مللي أمبير/سم 2)، باستخدام النمذجة البصرية القائمة على الفيزياء للخلية الشمسية، ويشير هذا إلى إمكانية توليدها كمية عالية نسبيًا من التيار الكهربائي اللازم لتطبيقات الخلايا الشمسية.
ومن جهته قال الدكتور عمار: "يُعتبر البحث عن مواد جديدة للخلايا الشمسية أحد الطرق الرئيسة لزيادة الكفاءة وخفض التكلفة، ويسمح النهج القائم على الفيزياء للنمذجة التجريبية والبصرية بدراسة المواد الجديدة كطبقات امتصاص محتملة، كما تُظهر النتائج هنا أن الأغشية الرقيقة لثاني كبريتيد الحديد تملك إمكانات كبيرة كطبقة امتصاص في الخلايا الشمسية والعديد من الأجهزة البصرية الأخرى.”
قارنت الدراسات السابقة 23 مادة، مثل السيليكون وتيلوريد الكادميوم وأكسيد النحاس وكبريتيد الرصاص، للعثور على الخيار الأوفر لاستخدامه في أجهزة مثل الخلايا الشمسية أو غيرها من التكنولوجيات، ووجدت أن ثاني كبريتيد الحديد أثبت بأنه خيار واعد. ومع ذلك، يُصاحب استخدامه في الأجهزة العملية بعض التحديات التي تشمل تثبيت مستوى فيرمي والحالات المانحة العميقة ونقاء المرحلة والمراحل البديلة وانعكاس السطح، والتي تؤثر بصورة جماعية على كفاءة المواد وأدائها في التطبيقات العملية.
استكشف الباحثون صلاحية الأغشية الرقيقة بسبب قدرتها على امتصاص الضوء في الخلايا الشمسية، من خلال إجراء النمذجة البصرية القائمة على الفيزياء، الأمر الذي وسع نطاق تطبيقات هذه الأغشية في الأجهزة الإلكترونية البصرية، كما سلطت نتائج الدراسة الضوء على قدرة ثاني كبريتيد الحديد على الامتصاص البصري وأكدت أيضًا على قابلية التطبيق الأوسع للنمذجة البصرية القائمة على الفيزياء للمواد الجديدة والنهوض بمجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية.