مقدمة
يتعرض اللوح الشمسي للعديد من الظروف المناخية التي قد تسبب تقادمه بأسبابٍ وطرقٍ مختلفة خلال السنوات الأولى من عمر اللوح. وفي هذا المقال نتحدث عن التقادم المحفَّز بالضوء «Light-Induced Degradation – LID» والتقادم المحفّز بالضوء والحرارة المرتفعة «Light and elevated Temperature Induced Degradation – LeTID»، وبتوضيح ما بينهما من فروقات.
ماهو التقادم المُحَفّز بالضوء «Light-Induced Degradation – LID»؟
يعرّف التقادم المُحَفّز بالضوء «Light-Induced Degradation – LID» بأنه الفقدان الدائم في استطاعة الألواح الشمسية السيليكونية من نوع (P) بما نسبته (1-5)% تقريباً. إذ يحدث هذا النوع من التقادم بشكلٍ خاصٍ في الخلايا الشمسية المكونة من رقائق أحادية البلورة مصنعة بطريقة تشوخرالسكي «The Czochralski process (Cz-Si)». ويتم خلال الساعات الأولى من تعرض الألواح للشمس إلى أن يستقر مستوى الطاقة بعد فترة قصيرة.
يُعزى هذا التأثير عموماً إلى الخلل الذي يحصل لأسبابٍ تتعلق بالبورون الذي يستخدم لإشابة السيليكون وتكوين نصف الناقل من نوع P-Type، وإلى تركيز الأكسجين في رقائق السليكون أحادية البلورة كذلك. إذ يتفاعل الأكسجين الموجود في الخلية الكهروضوئية مع البورون مكوناً مركباً معقداً يجذب الثقوب والإلكترونات الموجودة في الخلية. مما يخفض من كفاءة نصف الناقل وبالتالي يخفض من الاستطاعة المنتجة للخلية الكهروضوئية.
أما في رقائق السيليكون متعدد البلورات (mc-Si)، فيمكن أن نلاحظ نفس سلوك التقادم، ولكن بنسبةٍ أقل. وذلك نظراً لانخفاض محتوى الأكسجين في رقائق السيليكون متعدد البلورات (mc-Si) مقارنةً برقائق السليكون أحادية البلورة المصنعة بطريقة تشوخرالسكي (Cz-Si).
ماذا يعني ذلك؟
يعني أن ظاهرة التقادم المُحَفّز عن الضوء (LID) تحصل على نطاق واسع لأنه كان معظم إنتاج الخلايا الشمسية في العالم الحالي يعتمد على السيليكون البلوري المشاب بالبورون بنسبة تصل إلى 93%. مع وجودٍ للسيليكون أحادي البلورية المصنع وفقاً لطريقة تشوخرالسكي «Cz-Si» بحصةٍ سوقيةِ تبلغ حوالي 36%. والسيليكون متعدد البلورات المصبوب «mc-Si» بنسبة 52%، إلى جانب السليكون المُنمى على شكل شرائط « ribbon-grown silicon sheets» بنسبة 5%.
مفهوم عملية تشوخرألسكي «The Czochralski process» لصناعة البلورات السيليكونية الأحادية
عملية تستخدَم في مجال نمو البلورات ضمن علم المواد للحصول على بلورةٍ أحاديةٍ عالية النقاوة.
تتم العملية من خلال صهر السيليكون في بوتقة من الكوارتز عند 1425° مئوية وثم تضاف شوائب معينة حسب الحاجة من البورون أو الفوسفور إلى مصهور السيليكون وذلك من أجل إشابته إلى شبهِ موصلِ موجب p-type أو سالب n-type
تُثبّت بذرة بلورة على قضيب سحب وتوجّه بدقةٍ وتُغمَس في مصهور السيليكون، ثم يُسحَب القضيب ببطءٍ إلى الأعلى ويدوّر بشكلِ متواقت، وذلك مع ضبط المتغيرات مثل تدرج درجة الحرارة ومعدل السحب وسرعة التدوير، بحيث يحصل في النهاية على صبّةٍ أسطوانيةٍ كبيرة تكون عبارة عن بلورةٍ أحادية.
كيف يتم تفادي وتخفيف أثر التقادم المُحَفَز بالضوء «LID»؟
- استبدال عنصر البورون (B) بعنصرٍ آخر لغرض الإشابة: من الممكن استبدال عنصر البورون بعنصر الغاليوم (Ga). إذ تم إثبات الارتباط الوثيق بين التقادم الناجم عن الضوء «LID» مع عنصر البورون في رقاقة السيليكون البلورية.
لكن السبب الذي يحدد من استخدام عنصر الغاليوم (Ga) هو أنه أقل وفرة من البورون.
- التقليل من تركيز الأكسجين في رقاقة «Cz-Si»: يمكن القيام بذلك في عملية تشوخرألسكي أثناء مرحلة نمو البلور وذلك بتطبيق مجالٍ مغناطيسي (MCz).
نلاحظ في الرسم البياني أدناه مقارنة بين أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية من حيث الكفاءة، وكل نوع مصنع بعدة طرق مختلفة Cz(B)، Cz(Ga)، MCz(B)، FZ(B).
- تعديل تصميم الخلية: بتقليل سماكة الخلية إلى 100 ميكرومتر (عادةً ما تكون السماكة 200-500 ميكرومتر) ما يؤدي إلى التقليل من المفاقيد الناجمة عن التقادم المحفَّز بالضوء (LID). ونحتاج في هذه العملية لتخميل السطح الخلفي للخلية الشمسية بشكلٍ فعال.
- المعالجة الحرارية لمادة (Cz-Si) المُشابة بالبورون
كيفية التقليل من أثر التقادم المُحَفّز عن الضوء (LID)
يتم التقليل من أثر (LID) من خلال تطبيق 200 درجة حرارةٍ مئوية لتفكيك مركب (البورون – أوكسجين) على الخلية الشمسية لمدة 30 دقيقة.
ولكن هذه الطريقة غير عملية في الاستخدام على الألواح الشمسية، إذ تؤدي إلى تلف اللوح الشمسي. بالتالي لا يوجد حل عملي لمشكلة التقادم هذه.
التقادم المُحَفّز بالضوء و درجات الحرارة المرتفعة «LeTID»
يعرف التقادم المُحَفّز بالضوء ودرجات الحرارة المرتفعة «Light and elevated Temperature Induced Degradation – LeTID» بأنه أحد أنواع التقادم الذي يصيب الألواح الشمسية على أرض الواقع. خاصةً الألواح المكونة من خلايا السيليكون متعددة البلورات «mc-Si» والتي تستخدم تقنية تخميل الخلايا مثل خلايا بيرك «PERC». 3
يتسارع هذا التقادم بسبب شدة الاشعاع الشمسي المرتفعة مع درجات الحرارة العالية. وإن الآلية الكامنة وراء حدوثه ليست واضحةً بشكلٍ كافٍ حتى اللحظة الحالية، لكن يعتقد أن السبب يتعلق بوجود عنصر الهيدروجين وشوائب معدنية ضمن الخلية الشمسية. إذ يتشكل الهيدروجين أثناء عملية التخميل للسطح الخلفي للخلية الشمسية من نوع بيرك «PERC».
كما تظهر أيضاً في خلايا السيليكون أحادية البلورة «Cz-Si» علامات التقادم «LeTID» لكن بنسبة أقل. ويوضح الرسم البياني أدناه الفرق بينهما من حيث انخفاض الاستطاعة العظمى المولدة.
الظروف التي تتسبب آثارها بحدوث تقادمِ محفزٍ بالضوء ودرجات الحرارة «LeTID»
لم يتم حتى اللحظة الحالية تحديد عتبة واحدة لحدوث التقادم المحفَّز بالضوء ودرجات الحرارة «LeTID». كما أنه لا توجد عتبة لدرجة الحرارة تحتم بعدها حدوث ظاهرة «LeTID». وتغطي بعض الأبحاث هذه الظاهرة وإمكانية حدوثها في درجات الحرارة فوق 50 درجة مئوية، وهو ما يحدث بانتظام خلال فصل الصيف وفي أوقات الذروة في المنطقة العربية.
الخلاصة حول نوعي التقادم LeTID وLID
استعرضنا في هذا المقال نوعي التقادم (LID) و(LeTID) كذلك. وما تزال مشاكل تقادم الألواح وموثوقية الأنظمة الشمسية هي موضوع اهتمام لدى الكثير من الباحثين، ولا بد لِدراسي ومصممي أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية من الأخذ بِعين الاعتبار أنواع وأسباب التقادم جميعها (PID-HID-LID-LeTID). وإلا ستكون النتائج كارثية بحدوث فشلٍ ذريعٍ للمنظومات الشمسية الكهروضوئية مع خسائر مالية ضخمة.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصادر: researchgate
