سولارابيك –مدريد، إسبانيا–21 أكتوبر 2024: للمرة الأولى عالميا، تمكن باحثون في جامعة كومبلوتنسي في مدريد من تصنيع خلية شمسية متوسطة النطاق “IB” بكفاءة تحويل قياسية تصل إلى 60%. هذا الإنجاز الذي طال انتظاره سيغير قواعد اللعبة ويفتح آفاقاً جديدة في قطاع الطاقة الشمسية ويعد بتغيير جذري في صناعة الخلايا الشمسية.
استخدم الباحثون في هذا الابتكار مادتين رئيسيتين هما فوسفيد الجاليوم والتيتانيوم. وتمكنوا من تصميم خلية شمسية قادرة على امتصاص طيف أوسع من ضوء الشمس مقارنة بالخلايا التقليدية.
اختراق الحد الأعلى لكفاءة الخلايا الشمسية
يُطلق مصطلح شويكلي كوايسر ” Shockley Queisser (SQ)” على الحد الأقصى لكمية الطاقة الشمسية التي يمكن للخلية الشمسية أن تحولها إلى كهرباء. ويمكن حسابه مع أخذ طاقة الفوتون على وصلة (p-n) واحدة والضياعات في الخلية الشمسية بعين الاعتبار.
يذكر أن الحد الأقصى لكفاءة تحويل الخلية الشمسية يعتمد على فجوة نطاق مادة نصف الناقل المستخدمة في تصنيعها. ففي السيليكون تبلغ فجوة النطاق 1.3 إلكترون فولط وحدّ الكفاءة الأقصى 33.7%. أي إن الخلية الشمسية ذات الجودة العالية وفي أفضل السيناريوهات والظروف لن تكون قادرة على الاستفادة 77.3% من ضوء الشمس الساقط عليها. وهذا يعني أنه لتلبية المتطلبات المتزايدة من الطاقة سنحتاج إلى مزيد من الألواح الشمسية مما ينعكس سلباً على التكاليف واستخدام الأراضي.
ومن هذا المنطلق بدأ خافيير أوليا أريزا وفريقه من الباحثين في جامعة كومبلوتنسي منذ أكثر من 15 عام بالعمل على فوسفيد الجاليوم “Gap” والتيتانيوم “Ti” في محاولة لتصنيع خلية شمسية أكثر كفاءة. ويعود السبب في ذلك إلى أن فوسفيد الغاليوم يتمتع بفجوة نطاق تبلغ 2.26 إلكترون فولط.
صمم الفريق خلية شمسية بحجم سم مربع واحد. واستخدموا طبقة امتصاص من فوسفيد الغاليوم والتيتانيوم لا تتجاوز سماكتها 50 نانومتر مع موصلات معدنية من الذهب والجرمانيوم.
ومن خلال إجراء سلسلة من التجارب في قياس النفاذية والانعكاس، وجد الباحثون أن الخلية الشمسية هذه تتمتع بنطاق عريض. إذ أنها تستطيع امتصاص أطوال موجية تبدأ من 550 نانومتر وما فوق. ويعود السبب في ذلك إلى استخدام التيتانيوم في عمليات التصنيع.
التحديات المستقبلية
على الرغم من الأهمية الكبيرة التي يحملها هذا الاكتشاف في عالم الطاقة المتجددة، إلا أن هناك مجموعة من التحديات التي ينبغي التغلب عليها قبل أن تتمكن هذه الخلايا الشمسية من تحقيق انتشار واسع. على سبيل المثال، تبرز مسألة التكلفة كأحد العوائق الرئيسية. إذ يتعين خفض تكلفة إنتاج هذه الخلايا لتصبح قادرة على المنافسة مع نظيراتها التقليدية. كما يتطلب الأمر تطوير تقنيات تصنيع فعالة تضمن إمكانية إنتاج هذه الخلايا الجديدة بكميات كبيرة. بالإضافة إلى ذلك فإن الموضوع يحتاج إلى المزيد من البحث والجهود. وذلك بغية التأكد من استقرار أداء هذه الخلايا على المدى الطويل، مما يسهم في تعزيز ثقة المستخدمين والمستثمرين في هذه التقنية الواعدة.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: interesting engineering
