خلايا شمسية ترادفية تحطم الرقم القياسي في كفاءة توليد الكهرباء النظيفة
يتزايد الرهان على خلايا شمسية ترادفية جديدة في تعزيز كمية الكهرباء النظيفة المولدة من هذا المصدر النظيف للطاقة بما يُسهم في سد الطلب المتنامي على الكهرباء، وتسريع التحول الأخضر.
خلايا شمسية ترادفية مرنة
وتوصّل علماء صينيون إلى طريقة لجعل الخلايا الشمسية الترادفية المرنة أكثر كفاءة ومتانة من خلال تعزيز التصاق الطبقات العليا بالطبقات السفلية للخلية، وفق نتائج دراسة حديثة.
وتُصنع الخلايا الترادفية من طبقتين هما البيروفسكايت والسيليكون، على عكس الخلايا الكهروضوئية التقليدية التي تتألف في العادة من طبقة واحدة من السيليكون.
وتمكّن الباحثون من تحقيق كفاءة مستقرّة في توليد الطاقة الشمسية عبر الخلايا المذكورة، بلغت نسبتها 24.6 بالمئة، وهي واحدة من أعلى النسب المسجلة للخلايا الشمسية المرنة على الإطلاق.
وبعد 320 ساعة من التشغيل و3000 دورة انحناء بنصف قطر 1 سنتيمتر، احتفظت الخلايا الشمسية الترادفية بأكثر من 90 بالمئة من كفاءتها الأولية ما يعكس متانةً ميكانيكيةً استثنائية واستقرارًا طويل الأمد للوحدات.
تقنية مبتكرة
وطوّر الباحثون في معهد نينغبو لتقنية المواد والهندسة إن آي إم تي إي (NIMTE) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم تقنيةً جديدةً لربط طبقات مختلفة من خلايا شمسية ترادفية، وحققوا رقماً قياسياً جديداً في كفاءة توليد الطاقة الشمسية، وفق الدراسة المنشورة نتائجها في دورية “نيتشر إنرجي”.
وفق ما ورد ببيان صحفي يفتح هذا الإنجاز المجالَ أمام ظهور خلايا شمسية ترادفية عالية الأداء ومنخفضة التكلفة، والتي من الممكن تسويقها في المستقبل.
وقال البيان: “في إطار مساعينا الرامية لتسخير الطاقة النظيفة المولدة من الشمس فإننا بنينا العديد من محطات الطاقة الشمسية بمناطق مختلفة من العالم؛ وفي ظل تنامي الطلب العالمي على الطاقة، هناك حاجة ماسة لبناء المزيد من محطات الطاقة”.
ومع ذلك تَشغَل محطات الطاقة الشمسية ذات السعة العالية كذلك مساحات شاسعة من الأراضي لتتكامل في النهاية مع الوظائف البشرية مثل الزراعة والصناعة في ضوء نمو أعداد السكان.
ولعل أحد الأسباب الرئيسة التي تستلزم وجود محطات طاقة شمسية كبيرة هو الكفاءة المحددة للخلايا الشمسية فلدى الخلايا الشمسية المركّبة تجارياً معدل كفاءة يصل إلى 22 بالمئة حداً أقصي.
ولا يتحول قرابة 80 بالمئة من الضوء الذي تلتقطه الخلايا الشمسية إلى كهرباء قابلة للاستعمال وهو المفهوم الذي يحاول الباحثون تغييره بتقنيات جديدةٍ ممثلةٍ في الخلايا الشمسية الترادفية.
الخلايا الشمسية الترادفية للتغلب على محدودية كفاءة الخلايا الشمسية
ويعمل الباحثون على تطوير خلايا شمسية ترادفية أو متعددة الوصلات بهدف التغلب على الكفاءة المحدودة للخلايا الشمسية ذات الوصلة الواحدة.
وفي هذا النوع من الخلايا، تُكدس الألواح الشمسية ذات فجوات النطاق (bandgap) المختلفة أو قدرات امتصاص الطاقة فوق بعضها.
وفجوات النطاق هي الطاقة اللازمة لنقل إلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.
وتمتص الخلايا العلوية كميةً كبيرةً من السطوع الشمسي، في حين تمتص الخلايا السفلية كميات ضوء منخفضة؛ ما يزيد الكفاءة العامة لتوليد الطاقة الشمسية لدى الخلايا.
وتُعد مادة سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (Copper indium gallium selenide) المعروف اختصارًا بـ”سي آي جي إس” (CIGS) أحد أشباه الموصلات المعروفة بفجوة النطاق القابلة للتعديل وتُستعمَل في تصنيع الخلايا الشمسية الترادفية التجارية.
ولزيادة التطبيقات الممكنة المقترنة بتقنية الخلايا الشمسية، يعمل الباحثون كذلك على تعزيز مرونتها حتى يتسنّى نشرها على الأسطح المنحنية.
ويحاول الباحثون الجمع بين استعمال طبقة “سي آي جي إس” وبين طبقة علوية من خلايا بيروفسكايت شمسية من أجل تصنيع خلايا شمسية ترادفية مرنة عالية الكفاءة.
ومع ذلك فإن تسويق مثل تلك الخلايا الشمسية قد واجه عقبة رئيسة؛ نظراً إلى أن مادة “سي آي جي إس” وطبقات البيروفسكايت لا يمكن لصقها ببعضها نتيجة الطبيعة الخشنة للأولى.
مذيبات قطبية
واستعمل بحث قاده البروفيسور في معهد نينغبو لتقنية المواد والهندسة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم يي جي تشون مادة مذيبة عالية القطبية لمنع تكتل امتصاص الطبقة الأحادية المجمعة ذاتياً (SAM) ما أدى إلى فصل العملية عن خطوة التحلل بشكل فعال.
والمذيب القطبي هو المادة التي تُذيب، ولها شحنة موجبة أو سالبة نتيجةً لعدم تساوي توزيع الإلكترونات.
ثم استعمل الباحثون مادةً مذيبة منخفضة القطبية للسماح بتكوين طبقة كثيفة من الطبقة الأحادية المجمعة ذاتياً في أثناء عملية الامتصاص.
ولإثبات كفاءة تقنيتهم في حل المشكلة التي كانوا يحاولون معالجتها، صنع الباحثون خلية شمسية ترادفية مرنة أحادية الكتلة من البيروفسكايت ومادة سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم، حجمها نحو 1.09 سنتيمتراً مربعاً.
وبالفعل حققت الخلية معدل كفاءة 24.6 بالمئة وهو أحد أعلى معدلات الكفاءة المتحققة في الألواح الشمسية على الإطلاق حتى الآن كما نجح الباحثون في تشغيل الخلية الشمسية لمدة تزيد على 300 ساعة، ووضعوها في 3000 دورة انحناء بنصف قطر سنتيمتر واحد.
وفي نهاية الاختبار حافظت الخلايا الشمسية الترادفية على 90 بالمئة من كفاءتها الأولية؛ ما يُظهِر استقراراً في الأداء ومتانتها الميكانيكية.
إلى جانب ذلك أظهرت الدراسة إمكان بناء خلايا شمسية ترادفية مرنة ذات كفاءة أعلى في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء على نطاق تجاري في المستقبل.