سجل جديد للخلايا الشمسية – سجل جديد للخلايا الشمسية

نُشر بتاريخ: 10 أغسطس 2020 / تحديث من: 17 أغسطس 2020 - المؤلف: كونراد ولفنشتاين

التبديل إلى النسخة الإنجليزية

كفاءات أعلى جنبًا إلى جنب – رقم قياسي جديد للخلايا الشمسية

تعمل الأبحاث الكهروضوئية جاهدة لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية. وينصب التركيز بشكل متزايد على الخلايا الكهروضوئية الترادفية، حيث يتم جمع مواد الخلايا الشمسية القوية معًا في مجموعات مختلفة من أجل استخدام الطيف الشمسي بشكل أكثر كفاءة عند تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. سجلت Fraunhofer ISE الآن رقمًا قياسيًا جديدًا من الكفاءة بنسبة 25.9 بالمائة للخلية الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون. تم تصنيع هذا لأول مرة على ركيزة سيليكون فعالة من حيث التكلفة - وهو معلم مهم على الطريق إلى حلول اقتصادية للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

العديد من الخلايا الشمسية الترادفية III-V على ركيزة من السيليكون يبلغ قطرها 10 سم - © Fraunhofer ISE - تصوير: Markus Feifel

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ISE منذ سنوات عديدة على خلايا شمسية متعددة، حيث يتم ترتيب خليتين أو ثلاث خلايا فرعية واحدة فوق الأخرى لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يعتبر السيليكون مناسبًا لامتصاص الجزء تحت الأحمر من الطيف ويتم وضع فوقه طبقات من أشباه الموصلات III-V التي يبلغ سمكها بضعة ميكرومترات، وهي مواد من المجموعتين III وV من الجدول الدوري، والتي تحول الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة فوق البنفسجية. ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة أكثر كفاءة في المشي بالكهرباء. تُستخدم الخلايا الشمسية شبه الموصلة النقية من النوع III-V بالفعل في الفضاء وفي الخلايا الكهروضوئية المركزة. ومن خلال عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة بالاشتراك مع السيليكون باعتباره أدنى خلية فرعية، ينبغي أيضًا إتاحة التكنولوجيا الترادفية للخلايا الكهروضوئية الواسعة في المستقبل. ومع ذلك، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حتى ذلك الحين.

25.9 بالمائة للخلايا الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون

هناك طرق مختلفة لإنشاء مجموعات من الخلايا الشمسية III-V والسيليكون. منذ عام 2019، احتفظت Fraunhofer ISE بالقيمة القياسية العالمية لكفاءة 34.1 بالمائة (الآن 34.5 بالمائة) للخلية الشمسية الترادفية التي يتم فيها نقل طبقات أشباه الموصلات III-V من ركيزة زرنيخيد الغاليوم إلى السيليكون، مع مرور الطبقات عبر ما يلي: - تسمى الرقاقة - ترتبط السندات. هذه التكنولوجيا فعالة ولكنها مكلفة. ولذلك فقد عمل Fraunhofer ISE لسنوات عديدة على عمليات تصنيع أكثر مباشرة يتم فيها ترسيب الطبقات III-V أو وضعها فوق خلية شمسية من السيليكون. ومن الأهمية بمكان الحفاظ على جودة بلورية عالية في جميع الطبقات، وهو ما يمثل تحديًا كبيرًا. تم الآن تحقيق كفاءة قياسية عالمية جديدة بنسبة 25.9 بالمائة لمثل هذه الخلية الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون. تمكن عالم Fraunhofer ISE Markus Feifel مؤخرًا من عرض نجاحه في مؤتمر IEEE السابع والأربعين للمتخصصين في مجال الطاقة الكهروضوئية، والذي يُعقد حاليًا عبر الإنترنت مثل العديد من المؤتمرات، وتم تكريمه بجائزة الطالب في فئة الخلايا الشمسية الهجينة الترادفية. "إن البنية الداخلية المعقدة للخلية غير مرئية من الخارج لأن جميع الممتصات متصلة ببعضها البعض ومتصلة كهربائياً بواسطة طبقات بلورية إضافية"، يوضح الباحث الشاب في مجال الخلايا الشمسية، والذي زاد نتيجة عمله من 24.3 إلى 25.9 في أقل من عام يمكن أن تتحسن. ويشرح قائلاً: "لقد تم تحقيق هذا النجاح من خلال استبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة". "كشف التحليل الدقيق لخلايانا أن هذه الطبقة خلقت حاجزًا أمام التوصيل الكهربائي."

قام باحثو فراونهوفر بتطوير التكنولوجيا بخطوات صغيرة منذ عام 2007 بالتعاون مع جامعة TU Ilmenau، Philipps Univ. ماربورغ وشركة Aixtron، تم إنشاء أنظمة خاصة للفحص وتم فحص كل طبقة من طبقات الهيكل. تم تمويل هذه التطورات من قبل وزارة الأبحاث الفيدرالية BMBF كجزء من مشروعي "III-V-Si" و"MehrSi". ومن أبرز مميزات الخلية الشمسية الترادفية الجديدة أن الطبقات III-V لم تتم زراعتها على ركيزة مصقولة كيميائيًا وميكانيكيًا، كما كان الحال سابقًا، ولكن على رقاقة سيليكون، والتي بعد نشر البلورة في عملية بسيطة باستخدام فقط تمت معالجة عمليات الطحن والنقش غير المكلفة. وكجزء من مشروع "SiTaSol" الأوروبي، قامت الشركة الدنماركية Topsil بتطوير رقائق السيليكون هذه، وبذلك اتخذت خطوة مهمة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية الجديدة متعددة الوصلات. في المستقبل، سيكون الهدف هو زيادة الكفاءة بشكل أكبر وترسيب الطبقات بشكل أسرع، مع إنتاجية أعلى وبالتالي أكثر فعالية من حيث التكلفة، بهدف أن تساهم الخلايا الكهروضوئية الترادفية بشكل مهم في الخلايا الكهروضوئية اللازمة لانتقال الطاقة - يمكن تحقيق التوسع.

التكنولوجيا الرئيسية لانتقال الطاقة

أصبحت الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية الآن أرخص أشكال توليد الطاقة في أجزاء كثيرة من العالم. يقول البروفيسور د. ستيفان جلونز، رئيس قسم الخلايا الكهروضوئية - الأبحاث. «نحن لا نعمل فقط على جعل إنتاج خلايا السيليكون الشمسية أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة، ولكننا في الوقت نفسه نستكشف طرقًا جديدة لاستخدام السيليكون الذي أثبت كفاءته بالاشتراك مع مواد أشباه الموصلات الأخرى لتحقيق كفاءات أعلى. يمكننا تحقيق ذلك باستخدام الخلايا الكهروضوئية الترادفية.« لا تفتح الخلايا الكهروضوئية الترادفية الطريق لمستقبل توليد الكهرباء فحسب، بل إن هذه الخلايا الشمسية - نظرًا لجهدها العالي - مثالية أيضًا للتحليل الكهربائي، والتحلل المباشر للمياه إلى هيدروجين وأكسجين. وبالتالي تساهم هذه التكنولوجيا أيضًا في إنتاج الهيدروجين كجهاز لتخزين الطاقة ولبنة بناء مهمة لانتقال الطاقة.

هيكل طبقة الخلية الشمسية متعددة الوصلات III-V/Si – © Fraunhofer ISE

بنية الطبقة للخلية الشمسية المتعددة III-V/Si والكفاءة الكمية وخصائص IV في ظل الظروف الطيفية AM 1.5g

كفاءات أعلى جنبًا إلى جنب – رقم قياسي جديد للخلايا الشمسية

تعمل أبحاث الخلايا الكهروضوئية جاهدة على زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بشكل مستمر. وينصب التركيز بشكل متزايد على الخلايا الكهروضوئية الترادفية، حيث يتم جمع مواد الخلايا الشمسية عالية الأداء معًا في مجموعات مختلفة من أجل استخدام الطيف الشمسي بشكل أكثر كفاءة في تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. أعلنت شركة Fraunhofer ISE الآن عن تحقيق كفاءة قياسية جديدة بنسبة 25.9 بالمائة للخلية الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون. ولأول مرة، تم إنتاج هذا على ركيزة من السيليكون منخفضة التكلفة - وهو معلم مهم على الطريق إلى حلول اقتصادية للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

العديد من الخلايا الشمسية الترادفية III-V على ركيزة من السيليكون بقطر 10 سم – © Fraunhofer ISE – تصوير: ماركوس فيفيل

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ISE منذ سنوات عديدة على خلايا شمسية متعددة الوصلات يتم فيها ترتيب خليتين أو ثلاث خلايا جزئية واحدة فوق الأخرى لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يعتبر السيليكون مناسبًا كممتص للجزء تحت الأحمر من الطيف، وطبقات أشباه الموصلات III-V، وهي مواد من المجموعتين III وV من الجدول الدوري، والتي تحول الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة بكفاءة أكبر إلى كهرباء تترسب على أعلى من ذلك. تُستخدم الخلايا الشمسية شبه الموصلة النقية من النوع III-V بالفعل في الفضاء وفي الخلايا الكهروضوئية المركزة. ومن خلال عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة بالاشتراك مع السيليكون باعتباره الخلية الفرعية الأدنى، سيتم إتاحة التكنولوجيا الترادفية للخلايا الكهروضوئية ذات القاعدة العريضة في المستقبل. ومع ذلك، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حتى ذلك الحين.

25.9 بالمائة للخلايا الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون

هناك طرق مختلفة لإنتاج مجموعات من الخلايا الشمسية II-V والسيليكون. على سبيل المثال ، منذ عام 2019 ، حقق Fraunhofer ISE الرقم القياسي العالمي الكفاءة 34.1 في المائة (الآن 34.5 في المائة) لخلية شمسية ترادفية يتم نقل طبقات أشباه الموصلات III-V من ركيزة من أرسينيد الغاليوم إلى السيليكون ، مع طبقات LIGG متصلة بواسطة A ما يسمى بويفر بوند. هذه التكنولوجيا فعالة ولكنها باهظة الثمن. لهذا السبب ، تعمل Fraunhofer ISE لسنوات عديدة على عمليات التصنيع المباشرة التي تكون فيها طبقات III-V مستمدة أو محفوظة على خلية شمسية من السيليكون. هنا ، من الأهمية بمكان الحفاظ على جودة بلورية عالية لجميع الطبقات - وهو تحد كبير. تم الآن تحقيق كفاءة قياسية عالمية جديدة قدرها 25.9 في المائة لمثل هذه الخلايا الشمسية III-V/SI Tandem التي تزرع مباشرة على السيليكون. تمكن عالم Fraunhofer ISE Markus Feifel مؤخرًا من تقديم نجاحه في مؤتمر أخصائي الكهروضوئي السابع والأربعين لـ IEE ، والذي ، مثل العديد من المؤتمرات في الوقت الحالي ، على الإنترنت ، وتم تكريمه بجائزة الطلاب في الفئة الشمسية التراصية الهجينة. "من الخارج ، لا يكون البنية الداخلية المعقدة للخلية مرئية ، حيث أن جميع الامتصاصات متصلة ببعضها البعض بواسطة طبقات بلورية إضافية وسلكية كهربائيا" ، يوضح أبحاث الخلايا الشمسية الشابة 25.9 في المئة في أقل من عام. "تم تحقيق هذا النجاح من خلال استبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة" ، يتابع. "كشف تحليل دقيق لخلايانا أن هذه الطبقة خلقت حاجزًا على خط الطاقة."

في خطوات صغيرة ، قام باحثو Fraunhofer بتطوير التكنولوجيا بشكل أكبر منذ عام 2007 بالتعاون مع جامعة إيلمناو التقنية ، جامعة فيليبس. Marburg و Company Aixtron ، وضع معدات epitaxy خاصة وفحص كل طبقة واحدة من الهيكل. تم تمويل تطورات الأطروحة من قبل وزارة التعليم والبحوث الفيدرالية الألمانية (BMBF) كجزء من مشاريع "III-V-SI" و "Mehrsi". ومن أبرز ما يميز الخلية الشمسية الترادفية الجديدة أن طبقات II-V لم يتم زراعتها على ركيزة مصقولة كيميائية ميكانيكيًا كما كان الحال سابقًا ، ولكن على رقاقة السيليكون ، بعد نشر البلورة ، ما الذي تعامل في عملية بسيطة باستخدام طحن غير مكلف فقط و عمليات الحفر. ضمن المشروع الأوروبي "Sitasol" ، طورت الشركة الدنماركية Topsil رقائق السيليكون الأطروحة ، وبالتالي أدركت خطوة مهمة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية الجديدة متعددة الوظائف. في المستقبل ، سيكون الهدف هو تبخير كفاءة أبعد من ذلك ، وهكذا ندرك ترسب الطبقات بشكل أسرع ، مع ارتفاع في جميع أنحاء وبالتالي أكثر من التكلفة ، بهدف يمكن أن يقدم الخلايا الكهروضوئية الترادفية مساهمة استيراد في التوسع الضوئي ضروري لتحول الطاقة.

التكنولوجيا الرئيسية لتحويل نظام الطاقة

في أجزاء كثيرة من العالم اليوم ، تعد الكهرباء من الخلايا الشمسية أرخص أشكال توليد الطاقة. يقول البروفيسور د. ستيفان غلونز ، رئيس قسم أبحاث الكهروضوئية. "نحن لا نعمل فقط على جعل إنتاج الخلايا الشمسية السيليكون أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة ، ولكن في الوقت نفسه نقوم بتفكيك أرضية جديدة من أجل أن يكون السيليكون الذي أثبتت جدواه بالاقتران مع مواد أشباه الموصلات الأخرى إلى الكفاءة. نحن نحقق هذا مع الترادفين الكهروضوئية. لا تتوافق الخلايا الشمسية الأطروحة في مستقبل توليد الطاقة فقط ، وهي الخلايا الشمسية الأطروحة - بسبب ارتفاع الجهد - مناسبة بشكل مثالي للتحليل الكهربائي ، والتحلل المباشر للمياه إلى الهيدروجين والأكسجين. هذه التكنولوجيا تساهم في إنتاج الهيدروجين كوسيلة لتخزين الطاقة وبلا لبنة مهمة لتحول الطاقة.

هيكل طبقة الخلية الشمسية متعددة الوصلات III-V/Si – © Fraunhofer ISE

بنية الطبقة للخلية الشمسية متعددة الوصلات III-V/Si والكفاءة الكمومية وخصائص IV في ظل الظروف الطيفية AM 1.5g