الخلايا الشمسية: ما هي وحدات الطاقة الشمسية التي تقدم حاليًا أفضل التقنيات وأعلى مستويات الأداء؟

يتواصل التطور التكنولوجي في مجال الخلايا الشمسية بوتيرة متسارعة. فما كان يُعتبر متطورًا ومبتكرًا بالأمس، غالبًا ما يصبح قديمًا غدًا. وتساهم هذه التطورات التكنولوجية في جعل الأنظمة أكثر متانة وكفاءة، مما يؤدي إلى ارتفاع الطلب على الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ومن المرجح أن يتعزز هذا الطلب بفضل قانون حماية المناخ وهدف ألمانيا المتمثل في تحقيق الحياد المناخي بحلول عام 2045، ولذلك يُتوقع حدوث زيادة ملحوظة في الطاقة المتجددة خلال السنوات القادمة.

تعتمد كفاءة تقنية الخلايا الكهروضوئية بشكل أساسي على أنواع الوحدات الشمسية المستخدمة. في ألمانيا، تهيمن أربعة أنواع من الوحدات على استخدام أنظمة الخلايا الكهروضوئية. نعرض في هذا المقال مزايا وعيوب كل نوع، بالإضافة إلى آفاقه المستقبلية.

الألواح الشمسية: ما هي أنواعها؟

تتميز أنواع وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المختلفة باختلافات جوهرية أحيانًا في تصميمها التقني، مما يؤدي إلى تباين كبير في الأداء والعمر الافتراضي والتكاليف. سنتناول هذه الاختلافات بمزيد من التفصيل فيما يلي:

• وحدات زجاجية مزدوجة
• وحدات متعددة البلورات
• وحدات أحادية البلورة
• وحدات الأغشية الرقيقة
• وحدات CIS/CIGS

في وحدة الزجاج المزودة بتقنية الخلايا ثنائية الوجه، يتم التقاط الضوء من الأمام والخلف. وتؤدي زيادة كمية الضوء الملتقط إلى زيادة كفاءة الوحدة.

ذو صلة بهذا الموضوع:

• الخلايا الشمسية ثنائية الوجه – معلومات شيقة حول الوحدات الشمسية
• الخلايا الشمسية ثنائية الوجه (BSC): تاريخ الخلايا الشمسية ثنائية الوجه أو ذات السطحين
• الألواح الشمسية: ألواح ثنائية الوجه لزيادة الكفاءة وإنتاج الضوء - استشارات وتخطيط وحلول

تُصنع وحدات الخلايا الكهروضوئية متعددة البلورات، مثل نظيراتها أحادية البلورة، من السيليكون. بعد صهر السيليكون، يُصب في قوالب مستطيلة الشكل ويُبرد ببطء. ثم تُفصل البنى البلورية الناتجة في مراحل إنتاج لاحقة وتُقطع إلى رقائق، تُشكل بدورها الخلايا الشمسية متعددة البلورات. وتتميز هذه الخلايا بلونها الأزرق اللافت للنظر.

تتميز هذه العملية بانخفاض تكلفتها نسبيًا، ولذلك كانت وحدات الخلايا الكهروضوئية متعددة البلورات من بين أكثر أنواع الخلايا الشمسية استخدامًا لفترة طويلة. وقد أثبتت هذه التقنية كفاءتها على مدى سنوات عديدة، ما يجعلها موثوقة للغاية. فضلًا عن انخفاض احتمالية حدوث الأعطال، يُعدّ العمر الافتراضي الطويل ميزة أخرى لهذا النظام. مع ذلك، يعيب عملية التصنيع وجود عيوب في نقاط التقاء البلورات الفردية، ما يؤدي إلى كفاءة متوسطة لهذه الخلايا الشمسية تتراوح بين 12 و16%. ونتيجة لذلك، تزداد المساحة المطلوبة وتنخفض الكفاءة.

هناك عيبان آخران تشترك فيهما الوحدات متعددة البلورات والوحدات أحادية البلورة وهما وزنها المرتفع نسبيًا وفقدان الأداء في ظل ظروف الإضاءة المنتشرة ودرجات الحرارة العالية.

تُصنع الوحدات أحادية البلورة أيضًا من السيليكون. وعلى عكس الوحدات متعددة البلورات، يُصهر السيليكون مرة ثانية، مما ينتج عنه بلورات أحادية عمودية (ومن هنا جاءت تسمية "أحادية"). وهي لا تعاني من فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك الذي يُلاحظ في الوحدات متعددة البلورات. وهذا ما يؤدي إلى كفاءة أعلى تصل إلى 20% في هذه الخلايا الشمسية ذات اللون الأزرق الداكن إلى الأسود اللامع.

إلى جانب انخفاض احتمالية تعطلها وتصميمها المُثبت على مدى عقود، تتميز الوحدات أحادية البلورة بصغر حجمها. مع ذلك، تُعد هذه الوحدات مكلفة نسبيًا في التصنيع. علاوة على ذلك، فهي ثقيلة نسبيًا، وتقل كفاءتها في ظروف الإضاءة الضعيفة ودرجات الحرارة المرتفعة.

باختصار، يُقدّم كلا نوعي الوحدات الشمسية البلورية أداءً فعالاً. مع ذلك، فهي ثقيلة نسبياً، وتُعدّ الوحدات الشمسية أحادية البلورة الخيار الأمثل في المساحات الضيقة نظراً لكفاءتها العالية. وقد أدّت كفاءتها العالية إلى انتشار استخدامها على نطاق واسع مقارنةً بالخلايا الشمسية متعددة البلورات، على الرغم من ارتفاع سعرها.

ومع ذلك، فإن حقيقة أن الوحدات متعددة البلورات أرخص بنسبة تصل إلى الثلث (لكل كيلوواط ذروة) تضمن استمرار شعبيتها الكبيرة، خاصة بالنسبة لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الأكبر حجماً التي لا تعاني من قيود المساحة.

كما يوحي الاسم، تتميز وحدات الأغشية الرقيقة بسماكتها المنخفضة للغاية. تُصنع هذه الوحدات تقليديًا باستخدام أشباه موصلات مصنوعة من السيليكون غير المتبلور. في هذا النظام، تُغطى مادة أساسية، عادةً ما تكون من الزجاج، بطبقة رقيقة. ينتج عن هذه الطريقة في التصنيع خلايا شمسية رقيقة أرق بحوالي 100 مرة من وحدتين شمسيتين مصنوعتين من رقائق السيليكون.

في مجال الإلكترونيات الدقيقة، والخلايا الكهروضوئية، وتكنولوجيا الأنظمة الدقيقة، تُصنع الرقاقات من أقراص دائرية أو مربعة بسمك حوالي مليمتر واحد. وتُصنع من مواد أحادية أو متعددة البلورات (أشباه الموصلات) تُعرف باسم السبائك، وتُستخدم عادةً كركائز (صفائح أساسية) للمكونات الإلكترونية، بما في ذلك الدوائر المتكاملة (الرقائق)، والمكونات الميكانيكية الدقيقة، والطلاءات الكهروضوئية. في إنتاج مكونات الإلكترونيات الدقيقة، تُجمع عدة رقاقات عادةً في دفعة واحدة وتُعالج إما بالتتابع أو بالتوازي.

يُعدّ هذا أيضًا من أهمّ مزايا وحدات الأغشية الرقيقة، إذ يُضفي وزنها الخفيف عليها مرونةً وتعددًا في الاستخدام. ولذلك، لم تعد هذه الوحدات مقتصرةً على أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الكبيرة، بل تُستخدم أيضًا لتوليد الطاقة في الساعات والأجهزة الإلكترونية الصغيرة الأخرى. إضافةً إلى ذلك، تتميّز وحدات الأغشية الرقيقة بسهولة تصنيعها وانخفاض تكلفة إنتاجها نظرًا لانخفاض احتياجاتها من المواد الخام، ممّا ساهم في انتشار استخدامها على نطاق واسع. علاوةً على ذلك، لا يتأثر أداؤها سلبًا في ظروف الإضاءة غير المواتية كما هو الحال في الوحدات البلورية المذكورة سابقًا.

مع ذلك، تعاني هذه الوحدات الضيقة من عيب انخفاض كفاءتها بشكل ملحوظ مقارنةً بأنواع الخلايا الشمسية الأخرى، حيث قد تصل إلى 7% فقط، مما يعني أن استخدامها في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية يتطلب مساحة كبيرة. ولتحقيق كفاءة أعلى، اتجه المصنّعون إلى إنتاج وحدات رقيقة الأغشية مصنوعة من تيلوريد الكادميوم (CdTe). يوفر هذا التصميم ميزة كفاءة أعلى قليلاً تصل إلى 8%، وهو مناسب بشكل خاص للاستخدام في المناطق ذات مستويات الضباب والدخان العالية، وكذلك في الإضاءة المنتشرة. مع ذلك، يضطر المستخدمون إلى قبول أسعار أعلى وتكاليف إضافية لإعادة تدوير الكادميوم الموجود في الوحدات أثناء عملية التفكيك، وهي تكلفة أعلى. على الرغم من ارتفاع التكاليف، يشهد استخدام هذا التصميم الأكثر كفاءة للوحدات ازديادًا ملحوظًا.

علاوة على ذلك، تُجري العديد من الشركات حاليًا أبحاثًا على وحدات الأغشية الرقيقة المصنعة باستخدام كبريتيد النحاس والزنك والقصدير والكبريت (CZTS). تتميز هذه المادة شبه الموصلة عن خلايا الطاقة الشمسية التقليدية ذات الأغشية الرقيقة بأنها لا تتطلب استخدام عناصر نادرة وسامة في تصنيعها. مع ذلك، من المرجح أن يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن تصبح هذه التقنية جاهزة للإنتاج بكميات كبيرة.

تُعدّ هذه الوحدات نوعًا خاصًا من الخلايا الشمسية الرقيقة، وهي حاليًا ثاني أكثر التصاميم شيوعًا في هذا المجال بعد وحدات الكادميوم تيلورايد (CdTe). تعتمد هذه الوحدات على مركبات ثنائي سيلينيد النحاس والإنديوم (CIS) أو ثنائي سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)، وتتميز بقدرة توصيل كهربائي أفضل بكثير من الوحدات الرقيقة المصنوعة من السيليكون. تتراوح كفاءتها بين 12 و15%، وهي أعلى كفاءة بين الخلايا الشمسية الرقيقة. كما أنها لا تتأثر إلا بالضوء المنتشر ودرجات الحرارة العالية، وتتميز بخفة وزنها ومقاومتها للعيوب.

تُقابل هذه المزايا تكلفة عملية التصنيع الباهظة وتعقيد إعادة تدوير السيلينيوم الموجود في الوحدات. علاوة على ذلك، ونظرًا لحداثة تطوير هذه الوحدات، يندر وجود بيانات طويلة الأجل حول متانة النظام. مع ذلك، فإن السعر المرتفع هو السبب الرئيسي وراء ركود إنتاج هذه الخلايا الشمسية لسنوات.

كل شيء من مصدر واحد، مصمم خصيصًا لحلول الطاقة الشمسية لمواقف السيارات الكبيرة. أعد تمويل أو عوض تكاليفك المستقبلية من خلال توليد الكهرباء بنفسك.

تجدون النصائح والحلول هنا 👈🏻

نقدم خدمات الاستشارة والتخطيط، بما في ذلك تقدير تكلفة غير ملزم. نربطكم بشركاء أقوياء في مجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تجدون النصائح والحلول هنا 👈🏻

لدينا حضور إقليمي في جميع أنحاء العالم الناطق بالألمانية. ولدينا شركاء موثوقون سيقدمون لكم المشورة وينفذون رغباتكم.

تواصل معنا 👈🏻