سجل جديد للخلايا الشمسية – سجل جديد للخلايا الشمسية

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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 III-V والسيليكون. على سبيل المثال، منذ عام 2019، احتفظت Fraunhofer ISE بالرقم القياسي العالمي لكفاءة 34.1 بالمائة (الآن 34.5 بالمائة) لخلية شمسية ترادفية يتم فيها نقل طبقات أشباه الموصلات III-V من ركيزة زرنيخيد الغاليوم إلى السيليكون، مع ربط الطبقات. من خلال ما يسمى بسندات الرقاقة. هذه التكنولوجيا فعالة ولكنها مكلفة. لهذا السبب، عملت Fraunhofer ISE لسنوات عديدة على عمليات تصنيع أكثر مباشرة يتم فيها ترسيب الطبقات III-V أو وضعها على خلية شمسية من السيليكون. ومن المهم هنا الحفاظ على جودة بلورية عالية لجميع 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 المؤتمر السابع والأربعين لأخصائيي الطاقة الكهروضوئية IEEE، والذي، مثل العديد من المؤتمرات في الوقت الحالي، يُعقد عبر الإنترنت، وتم تكريمه بجائزة الطالب في فئة الخلايا الشمسية الهجينة الترادفية. "من الخارج، لا يمكن رؤية البنية الداخلية المعقدة للخلية، حيث أن جميع الممتصات متصلة ببعضها البعض بواسطة طبقات بلورية إضافية وموصولة بأسلاك كهربائية"، يوضح الباحث الشاب في مجال الخلايا الشمسية، والذي تمكن بالتالي من تحسين نتيجة بحثه. العمل من 24.3 إلى 25.9 بالمائة في أقل من عام. ويتابع قائلاً: "لقد تم تحقيق هذا النجاح من خلال استبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلايا المتعددة". "كشف التحليل الدقيق لخلايانا أن هذه الطبقة خلقت حاجزًا أمام خط الكهرباء."

في خطوات صغيرة، قام باحثو فراونهوفر بتطوير التكنولوجيا بشكل أكبر منذ عام 2007 بالتعاون مع جامعة إلميناو التقنية، جامعة فيليبس. قامت شركة Marburg وشركة Aixtron بتركيب معدات خاصة للفحص وفحص كل طبقة من طبقات الهيكل. تم تمويل هذه التطورات من قبل الوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم والبحث (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 تمت معالجتها في عملية بسيطة بعد نشر البلورة. باستخدام عمليات الطحن والحفر غير المكلفة فقط. وفي إطار المشروع الأوروبي "SiTaSol"، قامت شركة Topsil الدنماركية بتطوير رقائق السيليكون هذه، وبالتالي حققت خطوة مهمة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية الجديدة متعددة الوصلات. في المستقبل، سيكون الهدف هو زيادة الكفاءة بشكل أكبر وكذلك تحقيق ترسيب الطبقات بشكل أسرع، مع إنتاجية أعلى وبالتالي أكثر فعالية من حيث التكلفة، بهدف أن تساهم الخلايا الكهروضوئية الترادفية مساهمة مهمة في التوسع الكهروضوئي اللازمة لتحول الطاقة.

التكنولوجيا الرئيسية لتحويل نظام الطاقة

في أجزاء كثيرة من العالم اليوم، تعتبر الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية أرخص أشكال توليد الطاقة. يقول البروفيسور د. "تعمل الأبحاث الكهروضوئية الأوروبية على العديد من المفاهيم لمواصلة تطوير كفاءة هذه التكنولوجيا الرئيسية لتحويل الطاقة". ستيفان جلونز، رئيس قسم أبحاث الخلايا الكهروضوئية. "نحن لا نعمل فقط على جعل إنتاج خلايا السيليكون الشمسية أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة، ولكننا في الوقت نفسه نفتح أيضًا آفاقًا جديدة من أجل قيادة السيليكون الذي أثبت كفاءته مع مواد أشباه الموصلات الأخرى إلى كفاءات أعلى. . نحن نحقق ذلك باستخدام الخلايا الكهروضوئية الترادفية. لا تفتح الخلايا الكهروضوئية الترادفية الطريق نحو مستقبل توليد الطاقة فحسب، بل إن هذه الخلايا الشمسية - نظرًا لجهدها العالي - مناسبة أيضًا بشكل مثالي للتحليل الكهربائي، والتحلل المباشر للمياه إلى هيدروجين وأكسجين. وبالتالي تساهم هذه التكنولوجيا أيضًا في إنتاج الهيدروجين كوسيلة لتخزين الطاقة وعنصر بناء مهم لتحويل الطاقة.

 

 

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