سولارابيك – الولايات المتحدة الأمريكية –19 أبريل 2020: حقق باحثون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (NREL) رقمًا قياسيًا جديدًا في كفاءة الخلايا الشمسية وصل إلى 47.1٪ وذلك باستخدام خلية كهروضوئية سداسية الوصلة.
وتطلب تحقيق هذا الرقم القياسي المميز بكفاءة 47.1% تصميم خلية شمسية كهروضوئية مؤلفة من 6 وصلات «Six Junctions»، وتعريضها لإشعاع شمسي مركز بشكل كبير يعادل الإشعاع الشمسي لـ 136 شمس. أما عند الاختبار للخلايا الكهروضوئية تحت شروط الاختبار المعياري وإشعاع بشدة شمس وحدة كانت النتيجة تحقيق كفاءة 39.2%.
وأشار الباحثون في البحث الذي نشرته مجلة «Nature» العلمية، إلى أنه يمكن تحقيق كفاءات للخلايا الكهروضوئية تصل إلى 50٪ عن طريق تقليل المقاومة التسلسلية ضمن بنية الخلية.
والمميز بهذا الخبر ليس القيمة الرئيسية 47.1٪, بل هي الكفاءة التي سجلت تحت ضوء الشمس المعياري التي تبلغ 39.2٪، حيث أعلى كفاءة مسجلة للخلايا الكهروضوئية للخلايا أحادية الوصلة هي 29.1% وخلايا ثنائية الوصلة 32.8%.
أما تحقيق كفاءة 47.1% فتطلب في الوقت الحالي سلسلة من المرايا لتقوم بتركيز الإشعاع الشمسي وهذه المرايا مزودة بألية تتبع للشمس، كما تبقى محاذية للخلية بحيث يبقى الإشعاع الشمسي عمودياً على الخلية.
يمكن ملاحظة ترتيب هذه الخلايا وغيرها ضمن مخطط (NREL) لكفاءة الخلايا الكهروضوئية على مستوى العالم.
تركيب الخلية الكهروضوئية ذات كفاءة 39.2%
تعد الخلية المستخدمة من الفلم الرقيق (خلية كهروضوئية سداسية الوصلة) وهي من الخلايا اللاعضوية وتحديداً تقنية خلايا ثلاثة خمسة «III-V» وهي من أرسنات الغاليوم «Gallium Arsenide – GaAs» وصنعت بعدة وصلات (طبقات).
يتم بناء الخلية الشمسية طبقة تلو الأخرى، بحيث يتم ترتيب الطبقات وفق الفجوة الطاقية للمادة المصنوعة منها الطبقة بحيث نبدأ بالطبقة ذات الفجوة الطاقية الأكبر وننتهي بالطبقة ذات الفجوة الأصغر.
يوضح الشكل في الأسفل مراحل تصنيع الخلية.
كما استفاد الباحثون من خصائص تكوين الخلية الكهروضوئية المؤلفة من عدة وصلات (عدة طبقات) حيث يتوزع امتصاص الفوتون بالتساوي على كل وصلة وهذا يؤدي إلى انخفاض الجهد الفردي الذي يضيف قيمة إجمالية عالية جدًا. كما هو موضح في الصورة التالية نشاهد طول موجة الفوتون التي تمتصها كل طبقة من الطبقات السابقة في الخلية المستخدمة (خلية كهروضوئية سداسية الوصلة) حيث تم استخدام الألوان نفسها لتوضيح التطابق.
تصريحات الباحثين
يوضح هذا الجهاز الإمكانيات الكبيرة للخلايا الكهروضوئية المتعددة الوصلات، وإن العقبة الرئيسية التي تواجه البحث حاليًا لتجاوز كفاءة 50٪ هي تقليل الحواجز المقاومة داخل الخلية التي تعيق تدفق التيار، كما أن (NREL) تحاول كثيراً لتقليل تكلفة خلايا ثلاثة خمسة «III-V»، لتمكين سوق جديد لهذه الأجهزة عالية الكفاءة.
جونجيسز، عام مسؤول في مجموعة الخلايا الكهروضوئية من الكريستالاين عالية الكفاءة في NREL وقائد فريق الباحثين
بكل الأحوال على الأرض، الخلايا الكهروضوئية سداسية الوصلة مناسبة أكثر للخلايا الكهروضوئية المركزة. كما أن أحد الطرق لتقليل التكلفة هي تقليل المساحة المطلوبة، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق استخدام مرآة لالتقط الضوء وتوجيهه لنقطة معينة،وبالتالي يمكننا بشكل فعلي التقليل بأجزاء من المئة وحتى بأجزاء من الألف من المواد بالمقارنة مع استخدام خلايا سيليكونية. كما يمكنا لتقليل من مواد انصاف النواقل بشكل كبير باستخدام الضوء المركز كما أن الكفاءة للخلية ترتفع بشكل ملحوظ عند تركيز الضوء.
رايان فرانس، عالم في مجموعة خلايا ثلاثة خمسة متعددة الوصلات في NREL وكاتب مساعد في البحث.
خلاصة
يعد استخدام أرسنات الغاليوم «Gallium Arsenide – GaAs» هو التحدي الحقيقي لهذه الخلايا لكونه مادة مكلفة للغاية مقارنتا مع السليكون المتوفر والرخيص. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تصنيعه مكلف نسبيًا نظرًا لتباطؤ عمليات ترسب البخار المستخدمة في بناء الأجهزة. وقد أدى ذلك إلى استخدام هذه المواد في معظم المشاريع المهمة مثل محطة الفضاء الدولية. ومع ذلك ، يبدو أنها أفضل مادة معروفة للعلماء لتوليد الكهرباء باستخدام ضوء الشمس.
لاحظ العلماء أنه من الناحية النظرية ، يمكن تحقيق الكفاءة بنسبة 85 ٪ لعدد لا نهائي من الوصلات بأقصى تركيز. ومع ذلك ، باستخدام مجموعة متنوعة من الافتراضات المعقولة ، تشير الحسابات المحافظة إلى أنه يمكن تحقيق كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة 62 ٪ عند درجة 1000 شمس.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوما مشمساً!
المصدر:NREL
