ابتكارات خلايا الطاقة الشمسية "الثورية" تتجاوز عتبة الطاقة الأساسية

ترجمة الحدث

تجاوزت خلايا الطاقة الشمسية المرحلة الرئيسية المتمثلة في كفاءة استخدام الطاقة بنسبة 30٪، بعد عدة ابتكارات أجرتها مجموعات بحثية متعددة حول العالم. 

ووفقًا لأحد الخبراء في هذا المجال، فإن هذا العمل الفذ يجعل من هذا العام "ثوريًا"، ويمكن أن يسرع من انتشار الطاقة الشمسية.

تستخدم الألواح الشمسية اليوم خلايا أساسها السيليكون، ولكنها تقترب بشكل كبير من تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بنسبة 29٪. في الوقت نفسه، وفقا للعلماء؛ يحتاج معدل تركيب الطاقة الشمسية إلى زيادة عشرة أضعاف من أجل معالجة أزمة المناخ. 

يتمثل الاختراق في إضافة طبقة من البيروفسكايت، وهي أشباه موصلات أخرى، فوق طبقة السيليكون. يلتقط هذا الضوء الأزرق من الطيف المرئي، بينما يلتقط السيليكون الضوء الأحمر، مما يعزز إجمالي الضوء الملتقط بشكل عام.

 ومع امتصاص المزيد من الطاقة لكل خلية، تكون تكلفة الكهرباء الشمسية أرخص، ويمكن أن يستمر نشرها بشكل أسرع للمساعدة في بقاء التغير المناخي تحت السيطرة.

الخلايا "الترادفية" من مادة البيروفسكايت والسيليكون (عبارة عن مزيج من نوعين من الخلايا الشمسية، تؤدي إلى التقاط المزيد من أشعة الشمس وبالتالي زيادة كفاءة الخلية)، خضعت  للبحث منذ حوالي عقد من الزمان،  لكن التحسينات التقنية الأخيرة دفعتها الآن إلى تجاوز نسبة 30٪. 

قال الخبراء إنه إذا استمر توسيع نطاق إنتاج الخلايا الترادفية بسلاسة، فيمكن أن تكون متاحة تجاريًا في غضون خمس سنوات، في نفس الوقت تقريبًا التي تصل فيها الخلايا المكونة من السيليكون فقط إلى أقصى قدر من الكفاءة.

سجلت الكفاءة الحالية للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون فقط 24.5٪ في الخلايا التجارية و 27٪ في المختبر، وقد تكون القراءة الأخيرة أقرب ما يمكن للخلايا عمليا للوصول إلى أقصى حد للنظري وهو 29٪.

لكن نشرت مجموعة واحدة يرأسها البروفيسور ستيف ألبريشت في مركز هيلمهولتز برلين للمواد والطاقة في ألمانيا، معلومات حول كيفية تحقيق كفاءة تصل إلى 32.5٪ لخلايا بيروفسكايت السيليكون. 

أما المجموعة الأخرى، بقيادة الدكتور شين يو تشين في المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا في لوزان، سويسرا، فأظهرت كفاءة بنسبة 31.25٪ وقالت إن الخلايا الترادفية لديها "إمكانية تحقيق كل من الكفاءة العالية وتكاليف التصنيع المنخفضة".

قال البروفيسور في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا ستيفان دي وولف دي وولف: "ما أظهرته هاتان المجموعتان هو حقًا معالم بارزة". حققت مجموعته كفاءة بنسبة 33.7٪ باستخدام خلية ترادفية في يونيو، لكنها لم تنشر النتائج بعد في مجلة. 

وأضاف: "إن تجاوز عتبة الـ 30٪ يوفر الثقة في إمكانية طرح أنظمة كهروضوئية عالية الأداء ومنخفضة التكلفة في السوق"، حيث وصلت قدرة الطاقة الشمسية العالمية إلى 1.2 تيراواط في عام 2022. 

وقال: "لتفادي السيناريوهات الكارثية المرتبطة بالاحترار العالمي (تغير المناخ)، يجب زيادة السعة الإجمالية إلى حوالي 75 تيراواط بحلول عام 2050"، حيث تعد صناعة الطاقة الشمسية أيضًا جزءًا من السباق نحو الكفاءة العالية.

 أعلنت شركة LONGi الصينية، وهي أكبر منتج للخلايا الشمسية في العالم، في يونيو أنها وصلت إلى 33.5٪ في أبحاثها.

وقال لي تشنغوو، رئيس شركة LONGi: "يظل خفض تكلفة الكهرباء هو الموضوع الدائم الذي يقود تطوير صناعة الخلايا الكهروضوئية" .

وبالنسبة لـ دي وولف، فإن "الصناعة تعمل بسرعة كبيرة جدًا، وأنا متأكد من أن العديد من الشركات تعمل على هذا في الصين، وفي أوروبا والولايات المتحدة هناك حاجة إلى زيادة تمويل البحث والتطوير لمواكبة الإسراع في طرح الطاقة الشمسية والمساهمة فيه". 

وتعتبر جميع الخلايا الترادفية عالية الكفاءة التي تتجاوز كفاءة 30٪ صغيرة حتى الآن، بقياس 1 سم في 1 سم. وتحتاج الآن إلى زيادة حجمها إلى حجم الخلايا التجارية، والتي تبلغ مساحتها 15 سم مربع.

ويجري توسيع النطاق بالفعل مع إعلان شركة أكسفورد PV البريطانية في مايو عن تحقيق كفاءة قياسية بنسبة 28.6٪ لخلية بحجم تجاري . 

وقال كريس كيس، كبير مسؤولي التكنولوجيا في Oxford PV: "تعد الطاقة الشمسية بالفعل أحد أقل أشكال الطاقة المتاحة تكلفة وأنظفها، وستجعلها تقنيتنا أكثر تكلفة".

تم تصنيع خلية أكسفورد الكهروضوئية على نفس خط الإنتاج مثل الخلايا التقليدية المصنوعة من السيليكون فقط، مما يجعل إنتاج الخلايا الترادفية على نطاق واسع أسهل بكثير.

و قال دي وولف إن الخلايا الترادفية قد تكون أكثر تكلفة من الخلايا المصنوعة من السيليكون فقط، لكن الخلايا ليست سوى جزءا صغيرا من تكلفة إنتاج وتركيب الألواح الشمسية.

ولكن إحدى المشكلات التي لا يزال يتعين حلها هي مدى سرعة تدهور الخلايا الترادفية بمرور الوقت في ظروف العالم الحقيقي، ولا تزال الخلايا الشمسية اليوم تمتلك 80-90٪ من سعتها بعد 25 عامًا، وقال دي وولف إن الترادفات يجب أن تتطابق مع ذلك، لكن لم تكن هناك سوى بيانات محدودة عن استقرارها حتى الآن.

وكان مفتاح الكفاءات الأعلى للخلايا الترادفية من المجموعتين الألمانية والسويسرية هو معالجة العيوب الصغيرة على سطح طبقة البيروفسكايت، وتسمح هذه لبعض الإلكترونات المحررة بواسطة الفوتونات الشمسية بالتدفق مرة أخرى إلى البيروفسكايت، بدلاً من المساهمة في التيار الكهربائي للخلية وبالتالي تقليل كفاءتها، وكان الحل هو وضع طبقة من الجزيئات العضوية بين البيروفسكايت والطبقة الموصلة التي يتدفق من خلالها التيار، مما يصلح العيوب.

دي وولف، قال إنه "بشكل ملحوظ، استخدمت جميع المجموعات طرقًا مختلفة لمعالجة المشكلة، مما أعطى المزيد من الخيارات في البحث عن أفضل تصميم تجاري. وأضاف: "لا يزال هناك متسع كبير للمضي قدماً، وأعتقد أن الحد العملي يتجاوز 35٪".

وصرح البروفيسور روب جروس، مدير مركز أبحاث الطاقة في المملكة المتحدة، أن "الطاقة الشمسية هي بالفعل وسيلة منخفضة التكلفة لتوليد الكهرباء ولديها قاعدة موارد واسعة في جميع أنحاء العالم، وأن تخفيضات التكلفة التي تم تحقيقها بالفعل هي السبب الرئيسي الذي يجعل الطاقة الشمسية تلعب الآن مثل هذا الدور الكبير في سيناريوهات أنظمة الطاقة الخالية من الكربون؛ والتحسينات في الكفاءة لديها القدرة على زيادة إنتاج الطاقة الشمسية، وبالتالي ستساعد في تعزيز هذا التأثير". 

هناك تقنيات أخرى، مثل الخلايا متعددة الوصلات، والتي يمكن أن تكون لها كفاءات عالية تصل إلى 47٪، ولكن إنتاجها مكلف للغاية ولن يكون مناسبًا إلا للاستخدامات المتخصصة مثل الأقمار الصناعية الفضائية أو عندما يتركز ضوء الشمس بشكل كبير على الخلايا.

مصدر الترجمة: The Guardian