رقم قياسي جديد للخلايا الشمسية

تاريخ النشر: ١٠ أغسطس ٢٠٢٠ / تاريخ التحديث: ١٧ أغسطس ٢٠٢٠ - بقلم: Konrad Wolfenstein

التبديل إلى النسخة الإنجليزية

كفاءة أعلى بالتزامن – رقم قياسي جديد للخلايا الشمسية

تُبذل جهود بحثية حثيثة في مجال الخلايا الكهروضوئية لرفع كفاءتها باستمرار. وتحظى الخلايا الكهروضوئية الترادفية باهتمام متزايد، حيث تُدمج مواد الخلايا الشمسية عالية الأداء بطرق متنوعة لاستغلال الطيف الشمسي بكفاءة أكبر في تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. وقد سجل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) رقماً قياسياً جديداً في الكفاءة بلغ 25.9% لخلية شمسية ترادفية من نوع III-V/Si، نُمت مباشرةً على السيليكون. وكانت هذه أول خلية تُنتج على ركيزة سيليكون منخفضة التكلفة، ما يُمثل إنجازاً هاماً على طريق إيجاد حلول مجدية اقتصادياً للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

عدة خلايا شمسية ترادفية من النوع III-V على ركيزة من السيليكون بقطر 10 سم – © معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية – الصورة: ماركوس فيفيل

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) منذ سنوات عديدة على الخلايا الشمسية متعددة الوصلات، حيث تُكدّس خليتان أو ثلاث خلايا فرعية فوق بعضها لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يُعدّ السيليكون مناسبًا لامتصاص الجزء تحت الأحمر من الطيف، وتُطبّق فوقه طبقات رقيقة من أشباه الموصلات من النوع III-V، لا يتجاوز سمكها بضعة ميكرومترات. تنتمي هذه المواد إلى المجموعتين الثالثة والخامسة من الجدول الدوري، وتُحوّل الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة إلى كهرباء بكفاءة أعلى. تُستخدم خلايا أشباه الموصلات النقية من النوع III-V بالفعل في الفضاء وفي أنظمة الخلايا الكهروضوئية المركزة. وتهدف عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة، بالإضافة إلى استخدام السيليكون كخلية فرعية سفلية، إلى جعل هذه التقنية الترادفية متاحة للاستخدام على نطاق واسع في مجال الخلايا الكهروضوئية مستقبلًا. ومع ذلك، لا يزال الطريق طويلًا.

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

توجد طرق مختلفة لتصنيع خلايا شمسية مركبة من أشباه الموصلات من النوع III-V والسيليكون. منذ عام 2019، احتفظ معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) بالرقم القياسي العالمي لكفاءة بلغت 34.1% (أصبحت الآن 34.5%) لخلية شمسية ترادفية، حيث تُنقل طبقات أشباه الموصلات من النوع III-V من ركيزة زرنيخيد الغاليوم إلى السيليكون، وتُربط الطبقات معًا باستخدام تقنية ربط الرقاقات. هذه التقنية فعالة ولكنها مكلفة. لذلك، يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية منذ سنوات عديدة على تطوير عمليات تصنيع أكثر مباشرة، حيث تُرسّب طبقات أشباه الموصلات من النوع III-V أو تُربط طبقيًا على خلية شمسية من السيليكون. يُعد الحفاظ على جودة بلورية عالية في جميع الطبقات أمرًا بالغ الأهمية، وهو تحدٍ كبير. وقد تم تحقيق رقم قياسي عالمي جديد في الكفاءة بلغ 25.9% لخلية شمسية ترادفية من النوع III-V/Si نُمت مباشرة على السيليكون. عرض العالم ماركوس فيفيل، من معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية، مؤخرًا إنجازه في المؤتمر السابع والأربعين لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، والذي يُعقد عبر الإنترنت كغيره من المؤتمرات هذه الأيام، وحصل على جائزة الطالب في فئة الخلايا الشمسية الترادفية الهجينة. ويوضح الباحث الشاب في مجال الخلايا الشمسية، الذي تمكن بذلك من تحسين كفاءة عمله من 24.3% إلى 25.9% في أقل من عام: "لا يمكن رؤية البنية الداخلية المعقدة للخلية من الخارج، حيث أن جميع المواد الماصة متصلة ببعضها البعض وموصولة كهربائيًا عبر طبقات بلورية إضافية". ويضيف: "تحقق هذا النجاح باستبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة. وقد كشف تحليل دقيق لخلايانا أن هذه الطبقة كانت تعمل كحاجز أمام التوصيل الكهربائي"

منذ عام 2007، دأب باحثو معهد فراونهوفر، بالتعاون مع جامعة إلميناو التقنية وجامعة فيليبس ماربورغ وشركة أيكسترون، على تطوير هذه التقنية تدريجيًا، من خلال بناء أنظمة ترسيب متخصصة ودراسة كل طبقة على حدة من طبقاتها. وقد مُوِّلَت هذه التطورات من قِبَل الوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم والبحث العلمي (BMBF) في إطار مشروعي "III-V-Si" و"MehrSi". ومن أبرز ما يُميِّز الخلية الشمسية الترادفية الجديدة هو أن طبقات أشباه الموصلات III-V لم تُنمَّى على ركيزة مصقولة كيميائيًا وميكانيكيًا، كما كان مُعتادًا سابقًا، بل على رقاقة سيليكون. بعد قطع البلورة، عُولِجَت الرقاقة باستخدام عملية طحن وحفر بسيطة وفعّالة من حيث التكلفة. وقد طوّرت شركة توبسيل الدنماركية رقائق السيليكون هذه في إطار مشروع "SiTaSol" الأوروبي، مُخطِّطةً بذلك خطوةً هامة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية متعددة الوصلات الجديدة. في المستقبل، سينصب التركيز على زيادة الكفاءة بشكل أكبر وجعل ترسيب الطبقات أسرع، مع إنتاجية أعلى وبالتالي أكثر فعالية من حيث التكلفة، بهدف أن تساهم الخلايا الكهروضوئية الترادفية بشكل كبير في التوسع الكهروضوئي اللازم لانتقال الطاقة.

التكنولوجيا الأساسية لانتقال الطاقة

يُعدّ توليد الكهرباء من الخلايا الشمسية حاليًا الشكلَ الأقل تكلفةً لتوليد الطاقة في أجزاء كثيرة من العالم. يقول البروفيسور الدكتور ستيفان غلونز، رئيس قسم أبحاث الخلايا الكهروضوئية: "يعمل البحث الأوروبي في مجال الخلايا الكهروضوئية على العديد من المفاهيم لزيادة كفاءة هذه التقنية الأساسية في التحول الطاقي". ويضيف: "لا نقتصر على العمل على جعل إنتاج خلايا السيليكون الشمسية أكثر استدامةً وفعاليةً من حيث التكلفة فحسب، بل نستكشف أيضًا سُبلًا جديدةً لتحقيق كفاءات أعلى باستخدام السيليكون المُثبت فعاليته بالاشتراك مع مواد أشباه موصلات أخرى. ونحقق ذلك من خلال الخلايا الكهروضوئية الترادفية". لا تُمهّد الخلايا الكهروضوئية الترادفية الطريق لمستقبل توليد الكهرباء فحسب، بل إن هذه الخلايا الشمسية مُلائمةٌ أيضًا - نظرًا لجهدها العالي - للتحليل الكهربائي، وهو الفصل المباشر للماء إلى هيدروجين وأكسجين. وبالتالي، تُساهم هذه التقنية أيضًا في إنتاج الهيدروجين كوسيط لتخزين الطاقة وعنصر أساسي في التحول الطاقي.

بنية الطبقات للخلية الشمسية متعددة الوصلات من النوع III-V/Si – © معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية

بنية الطبقات للخلايا الشمسية متعددة الوصلات من النوع III-V/Si، والكفاءة الكمية، وخصائص التيار-الجهد في ظل ظروف طيفية AM 1.5g

كفاءة أعلى بالتزامن – رقم قياسي جديد للخلايا الشمسية

تبذل أبحاث الخلايا الكهروضوئية جهودًا حثيثة لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية باستمرار. ويتزايد التركيز على الخلايا الكهروضوئية الترادفية، حيث تُدمج مواد الخلايا الشمسية عالية الأداء في تركيبات متنوعة للاستفادة من الطيف الشمسي بكفاءة أكبر في تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. وقد أعلن معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) عن تحقيق رقم قياسي جديد في الكفاءة بلغ 25.9% لخلية شمسية ترادفية من نوع III-V/Si، نُمت مباشرةً على السيليكون. ولأول مرة، تم إنتاج هذه الخلية على ركيزة سيليكون منخفضة التكلفة، ما يُمثل إنجازًا هامًا في سبيل الوصول إلى حلول اقتصادية للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

عدة خلايا شمسية ترادفية من النوع III-V على ركيزة سيليكون بقطر 10 سم – © معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية – الصورة: ماركوس فيفيل

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) منذ سنوات عديدة على تطوير الخلايا الشمسية متعددة الوصلات، حيث تُرتّب خليتان أو ثلاث خلايا جزئية فوق بعضها البعض لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يُعدّ السيليكون مادةً مناسبةً لامتصاص الجزء تحت الأحمر من الطيف، وتُرسّب فوقه طبقات من أشباه الموصلات من النوع III-V، وهي مواد من المجموعتين الثالثة والخامسة في الجدول الدوري، والتي تُحوّل الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة بكفاءة أعلى إلى كهرباء. تُستخدم خلايا أشباه الموصلات النقية من النوع III-V حاليًا في الفضاء وفي أنظمة الخلايا الكهروضوئية المركزة. ومن خلال عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة، وبالاقتران مع السيليكون كأصغر خلية فرعية، يُتوقع أن تُصبح تقنية الخلايا الكهروضوئية الترادفية متاحةً للاستخدام على نطاق واسع في المستقبل. ومع ذلك، لا يزال الطريق طويلًا أمامنا لتحقيق ذلك.

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

توجد طرق مختلفة لإنتاج خلايا شمسية مركبة من أشباه الموصلات من النوع III-V والسيليكون. على سبيل المثال، منذ عام 2019، احتفظ معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (Fraunhofer ISE) بالرقم القياسي العالمي لكفاءة بلغت 34.1% (أصبحت الآن 34.5%) لخلية شمسية ترادفية، حيث تُنقل طبقات أشباه الموصلات من النوع III-V من ركيزة زرنيخيد الغاليوم إلى السيليكون، وتُربط الطبقات بواسطة ما يُعرف بوصلة الرقاقة. هذه التقنية فعالة ولكنها مكلفة. لهذا السبب، يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية منذ سنوات عديدة على تطوير عمليات تصنيع أكثر مباشرة، حيث تُرسّب طبقات أشباه الموصلات من النوع III-V أو تُنمّى فوقيًا على خلية شمسية من السيليكون. هنا، يُعد الحفاظ على جودة بلورية عالية لجميع الطبقات أمرًا بالغ الأهمية، وهو تحدٍ كبير. وقد تم تحقيق رقم قياسي عالمي جديد في الكفاءة بلغ 25.9% لخلية شمسية ترادفية من النوع III-V/Si نُمت مباشرة على السيليكون. تمكن العالم ماركوس فيفيل، من معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية، مؤخرًا من عرض إنجازه في المؤتمر السابع والأربعين لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، والذي يُعقد عبر الإنترنت كغيره من المؤتمرات حاليًا، وحصل على جائزة الطالب في فئة الخلايا الشمسية الترادفية الهجينة. ويوضح الباحث الشاب في مجال الخلايا الشمسية، الذي تمكن بذلك من تحسين نتائج عمله من 24.3% إلى 25.9% في أقل من عام: "من الخارج، لا يمكن رؤية البنية الداخلية المعقدة للخلية، لأن جميع المواد الماصة متصلة ببعضها البعض بواسطة طبقات بلورية إضافية وموصولة كهربائيًا". ويضيف: "تحقق هذا النجاح باستبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة. وقد كشف تحليل دقيق لخلايانا أن هذه الطبقة كانت تشكل حاجزًا أمام خط نقل الطاقة"

منذ عام 2007، واصل باحثو معهد فراونهوفر تطوير هذه التقنية بخطوات مدروسة، بالتعاون مع جامعة إلميناو التقنية، وجامعة فيليبس ماربورغ، وشركة أيكسترون، حيث قاموا بتجهيز معدات خاصة للترسيب الطبقي وفحص كل طبقة من طبقاتها. وقد مُوّلت هذه التطورات من قِبل الوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم والبحث العلمي (BMBF) ضمن مشروعي "III-V-Si" و"MehrSi". ومن أبرز ما يُميّز الخلية الشمسية الترادفية الجديدة هو أن طبقات أشباه الموصلات III-V لم تُنمّى على ركيزة مصقولة كيميائيًا وميكانيكيًا كما كان الحال سابقًا، بل على رقاقة سيليكون، عُولجت بعد قطع البلورة بعملية بسيطة باستخدام عمليات طحن وحفر غير مكلفة. وفي إطار المشروع الأوروبي "SiTaSol"، طوّرت شركة توبسيل الدنماركية رقائق السيليكون هذه، مُحققةً بذلك خطوة هامة نحو إنتاج اقتصادي للخلايا الشمسية متعددة الوصلات الجديدة. في المستقبل، سيكون الهدف هو زيادة الكفاءة بشكل أكبر، وكذلك تحقيق ترسيب الطبقات بشكل أسرع، مع إنتاجية أعلى وبالتالي بتكلفة أقل، بهدف أن تساهم الخلايا الكهروضوئية الترادفية بشكل كبير في التوسع الكهروضوئي اللازم لتحول الطاقة.

تقنية أساسية لتحويل نظام الطاقة

في أجزاء كثيرة من العالم اليوم، تُعدّ الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية أرخص أشكال توليد الطاقة. يقول البروفيسور الدكتور ستيفان غلونز، رئيس قسم أبحاث الخلايا الكهروضوئية: "يعمل البحث الأوروبي في مجال الخلايا الكهروضوئية على العديد من المفاهيم لزيادة كفاءة هذه التقنية الأساسية لتحقيق تحول في قطاع الطاقة. لا نقتصر على العمل على جعل إنتاج خلايا السيليكون الشمسية أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة فحسب، بل نسعى في الوقت نفسه إلى تحقيق إنجازات جديدة لرفع كفاءة السيليكون المُثبت فعاليته، بالاشتراك مع مواد أشباه موصلات أخرى. ونحقق ذلك من خلال الخلايا الكهروضوئية الترادفية. لا تفتح هذه الخلايا الكهروضوئية الترادفية آفاقًا جديدة لمستقبل توليد الطاقة فحسب، بل إنها - بفضل جهدها العالي - تُعدّ مثالية أيضًا للتحليل الكهربائي، وهو التحلل المباشر للماء إلى هيدروجين وأكسجين. وبالتالي، تُسهم هذه التقنية أيضًا في إنتاج الهيدروجين كوسيط لتخزين الطاقة، ومكون أساسي في عملية التحول في قطاع الطاقة.".

بنية الطبقات للخلية الشمسية متعددة الوصلات من النوع III-V/Si – © معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية

بنية طبقات الخلية الشمسية متعددة الوصلات من النوع III-V/Si، والكفاءة الكمية، وخصائص التيار-الجهد في ظل ظروف طيفية AM 1.5g