عمل العلماء على تطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية الكهروضوئية منذ إختراعها بغية الحصول على خلايا ذات كفاءة أعلى ومردود أكبر. و بالنتيجة يتم تحسين كفاءة هذه الخلايا بحوالي الدرجة الواحدة كل سنة حتى وصلت إلى كفاءات تزيد عن ال 20% للخلايا الشمسية التجارية بينما تخطت كفاءة الخلايا الشمسية ذات الاستخدامات الخاصة ال 40%.
هذا المقال هو جزء من سلسلة نتعرف فيها على أحدث التقنيات التي ساهمت في رفع كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية عبر التاريخ وسنساعدكم على فهم المصلحات الدارجة في السوق مثل PERC, Bifacial, Glass-Glass, Half-Cut Cells بالإضافة لأي اقتراح من قبلكم أعزاءنا القراء. و سنبدأ اليوم بالتعرف علي تقنية البيرك PERC.
فهرس
خلايا بيرك PERC Cells
هذا الاسم هو اختصار لـ Passivated Emitter and Rear Cell أو لـ Passivated Emitter and Rear Contact. وهذا يعني حرفياً: “تخميل الباعث والخلية الخلفية أو تخميل الباعث والاتصال الخلفي”.
كنا قد تعرفنا في مقالنا مبدأ عمل الخلايا الشمسية على مكونات الخلية الشمسية والتي تتألف بشكل مبسط مما يلي:
- موصل أمامي.
- موصل خلفي.
- طبقة امتصاص بينهما عبارة عن ثنائي قطب وصلة P-N.
إن الاختلاف الأساسي بين خلايا بيرك PERC والخلايا الشمسية العادية هو وجود طبقة التخميل على السطح الخلفي للخلية، وهذه الطبقة عبارة عن مواد موجودة على السطح الخلفي للخلية تقدم ثلاثة فوائد فيما يتعلق بكفاءة الخلية الشمسية:
عكس الضوء عبر الخلية
عندما يسقط الضوء على الخلية الشمسية فإن قسما من الإشعاع الشمسي يتم امتصاصه في طبقة الامتصاص بينما القسم الباقي يعبر داخل الخلية ليصل إلى السطح المطلي بطبقة التخميل، والتي بدورها تقوم بعكس الاشعاع الشمسي باتجاه طبقة الامتصاص ليتم امتصاص المزيد من الطاقة الموجودة في الإشعاع الشمسي.
تقليل عمليات إعادة الاتحاد للإلكترونات
إن وجود هذه طبقة التخميل يقلل عمليات إعادة الاتحاد للإلكترونات وبالتالي تزداد كفاءة الخلية الشمسية.
تقليل الامتصاص الحراري
إن وايفر السيلكون يستطيع امتصاص الأشعة الضوئية بطول موجة حتى 1180 نانومتر، اما الأشعة الضوئية ذات طول الموجة الأكبر من ذلك فهي تعبر من خلال السيلكون لتصل إلى الجزء المعدني الخلفي للخلية حيث يتم امتصاصها وتتحول إلى حرارة تقلل من كفاءة الخلية الشمسية.
تكون طبقة التخميل الموجودة في خلايا بيرك PERC مصممة لتعكس الأشعة الضوئية ذات طول الموجة الأكبر من 1180 نانومتر فتقلل بذلك من درجة حرارة الخلية وتزيد من كفاءتها.
ما أهمية امتصاص خلايا بيرك PERC للضوء بأطوال أمواج مختلفة؟
تشع الشمس أشعتها بأطوال موجة مختلفة وتصل هذه الإشعاعات إلى الخلية الشمسية حيث يتم امتصاصها لتحفيز وتحرير الالكترونات نتيجة لذلك في الطبقات المختلفة من بنية الخلية.
تزيد تكنولوجيا بيرك من قدرة الخلية على التقاط الأشعة الشمسية ذات أطوال الأمواج الأطول، وتظهر هذه الأشعة ذات طول الموجة الكبير في فترات الصباح والمساء (عندما تكون الشمس منخفضة جداً) وفي الأيام التي تكثر فيها الغيوم.
يتم امتصاص الأشعة الضوئية ذات طول الموجة القصير في الغلاف الجوي بينما الأشعة الضوئية ذات طول الموجة الطويل تصل إلى الخلية الشمسية وهنا تظهر ميزة خلايا بيرك PERC حيث تقوم طبقة التخميل العازلة بعكس هذه الأشعة ليتم امتصاصها وذلك خلال النهار أو العصر أو المغيب أو حتى في الأيام التي تكثر فيها الغيوم.
إن الطاقة الموجودة في ضوء الشمس هي مجموع الطاقات لأطوال أمواج مختلفة لذلك على الخلية الشمسية أن تتمتع باستجابة طيفية جيدة (القدرة على امتصاص الأشعة الضوئية مع اختلاف طول الموجة للإشعاع)، ويوضح الشكل في الأسفل الاختلاف في الاستجابة الطيفية بين خلية شمسية عادية وخلية شمسية من نوع PERC.
في ظروف الإضاءة المنخفضة خلال ساعة الفجر أو الغروب وظروف الإضاءة الضعيفة في الأيام الغائمة يتم امتصاص الأشعة ذات طول الموجة القصير في الغلاف الجوي للأرض مما يسمح للأشعة ذات طول الموجة الكبير بالوصول إلى الأرض، في هذه الحالات فإن الاستجابة الطيفية العالية لخلايا بيرك للأشعة ذات طول الموجة الكبير تسمح لها بأداء أفضل من الخلايا العادية والمحافظة على أكبر قدر من الفعالية والكفاءة في ظروف الإضاءة الضعيفة كما موضح في الشكل في الأسفل.
نلاحظ أن النموذج المستخدم من خلايا بيرك في الاختبار يحافظ على كفاءة بقدر 99% من كفاءة اختبار STC المقابل لإشعاع شمسي يقدر بـ 200 واط/م2، بينما تنخفض كفاءة الخلايا العادية BSF إلى أقل من 96% في الظروف نفسها.
بالنتيجة نجد أن كمية الطاقة الناتجة من لوح شمسي بخلايا بيرك خلال النهار أكبر من كمية الطاقة الناتجة من لوح شمسي بخلايا عادية خلال نفس الظروف. يوضح الشكل التالي مقارنة بين أداء لوح شمسي من خلايا بيرك ولوح شمسي عادي فنلاحظ أن الخلايا تبدأ بإنتاج الطاقة في وقت مبكر من النهار وتنتهي في وقت متأخر من المساء.
الصعوبات التي تواجه تكنولوجيا خلايا بيرك
تواجه تكنولوجيا خلايا بيرك صعوبات مختلفة كونها تكنولوجيا جديدة ويسعى المطورون لرفع هذه التكنولوجيا مع المحافظة على التحكم التام بالعملية، ومن أشهر هذه الصعوبات التي لها تأثير مباشر على مالك الألواح من هذا النوع هي:
انخفاض الضوء المستحث (Light Induced Degradation – LID)
وهو التأثير الذي يسبب خسارة اللوح الشمسي لنسبة من استطاعته عند تعرضه للضوء للمرة الأولى، ونظراً لارتفاع نسبة المنشطات المطبقة عادة في خلايا بيرك PERC فإن التأثير السلبي الناتج عن LID يزداد بالمقارنة مع الخلايا العادية.
احتمال انخفاض الضوء المستحث (Potential Induced Degradation – PID)
أظهرت العديد من الأبحاث والدراسات والكتابات التي تتحدث عن هذا الموضوع وخاصة للألواح من النوع الكرستال المتعدد (Polycrystalline) وخلاياها من نوع بيرك PERC.
هذه المشكلة لا يمكن تجاهلها نظراً لتأثيرها الكبير على أداء نظام الألواح الشمسية الكلي المستخدم وما قد تلحقه من ضرر له.
لتفادي ذلك ننصح أن تتأكد من أن الألواح الشمسية ذات خلايا بيرك والتي تريد شراءها تتمتع بشهادة IEC TS 62804 الخاصة بمقاومة اللوح الشمسي لآثار PID.
خلاصة
إن تكنولوجيا خلايا بيرك PERC ليس جديدة كلياً حيث ظهرت أول ورقة بحثية تتحدث عن هذه الخلايا عام 1989 في جامعة (University of New South Wales) في استراليا، ولأن هذا المبدأ يملك القدرة لتحقيق أعلى قيمة للكفاءة فقد استخدمته الجامعة لتحقيق رقم قياسي عالمي بكفاءة تصل حتى 25%.
عادت هذه التكنولوجيا لتظهر بشكل أكبر في أيامنا هذه لما تعرضت له من تطورات خلال الثلاثين عام الماضية، ومازالت تتطور.
هذه التكنولوجيا تؤمن القدرة على رفع الكفاءة من الألواح الشمسية وخاصة في الظروف السيئة للإشعاع الشمسي والعلماء مازالوا يتوسعون بالبحث لتحسين هذه الخلايا.
تابعوا معنا سلسلة تقنيات رفع إنتاجية الخلايا الشمسية الكهروضوئية و اتركوا تعليقاتكم أسفل المقال ليصلكم كل جديد.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
المراجع
- Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE
- Institute for Solar Energy Research Hamelin, ISFH
- Hiteksolar, Why should I consider using high efficiency PERC cell solar panels for some projects?
