استخدام البيروفسكايت أفضل لزيادة كفاءة خلايا السيليكون في الألواح الشمسية.. كفاء تصل 39%

لعقود من الزمان، كانت الخلايا الكهروضوئية التقليدية القائمة على السيليكون هي المعيار الصناعي لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء – ولكن بصفته مادة تمتص الفوتون، فالسيليكون ليس في الواقع بهذه الكفاءة.

في المتوسط​​، تحول الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري ما بين 18٪ و 22٪ من طاقة الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام، مع حد نظري تصاعدي يبلغ 33٪. على الرغم من هذا القيد ، فإن الخلايا الكهروضوئية البلورية للسيليكون تمثل 95 ٪ من سوق الخلايا الشمسية.

خلايا شمسية ترادفية أكثر كفاءة

من خلال وضع طبقات من خلايا السيليكون التقليدية بمعدن يسمى البيروفسكايت، يقوم علماء المواد بهندسة خلايا شمسية ترادفية أكثر كفاءة تعمل على تعزيز الكفاءة بشكل كبير ، دون عرقلة مسارات تصنيع خلايا السيليكون الراسخة.

تتمتع الخلايا الشمسية الترادفية بكفاءة أعلى بكثير في تحويل الطاقة من الخلايا الشمسية الحديثة، يمكن للخلايا الترادفية أن تساهم في خفض تكلفة الطاقة الشمسية، لا سيما في أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح، حيث تكون الكفاءة العالية ذات أهمية مركزية.

كتب ديرك فايس ، عالم المواد في شركة First Solar ، مؤخرًا في Joule، هناك حاجة لجيل جديد من الخلايا الترادفية منخفضة التكلفة لتمكين التنفيذ على نطاق واسع، تعد الخلايا العلوية الهجينة- بيروفسكايت المدمجة مع الخلايا السفلية من السيليكون أكثر الخلايا الترادفية منخفضة التكلفة شيوعًا قيد التطوير”.

في منظور جديد، نُشر في رسائل الفيزياء التطبيقية، يقدم فريق بقيادة لورا ميراندا بيريز، رئيس أبحاث المواد في Oxford PV في المملكة المتحدة، وكريس كيس، كبير مسؤولي التكنولوجيا في Oxford PV، حالة لتسويق الطاقة الشمسية الترادفية الخلايا من خلال الجمع بين تكنولوجيا خلايا السيليكون الموجودة والمتغيرات الاصطناعية من البيروفسكايت.

مادة مثالية للإضافة إلى عمليات تصنيع خلايا السيليكون

تم اكتشاف معدن البيروفسكايت، المعروف أيضًا باسم تيتانات الكالسيوم، في جبال الأورال في عام 1839، لكن البيروفسكايت المستخدم في الخلايا الشمسية يتم تصنيعه في المختبر من مكونات متاحة بسهولة، يمكن تطبيق مواد البيروفسكايت الشمسية هذه في طبقات رقيقة جدًا، مما يجعلها مادة مثالية للإضافة إلى عمليات تصنيع خلايا السيليكون الحالية.

قالت ميراندا بيريز: “تعتبر البيروفسكايت الشريك المثالي لنظام ترادفي مع السيليكون”.

من خلال إضافة البيروفسكايت ، الذي يلتقط بشكل أكثر كفاءة المنطقة الزرقاء من الطيف الشمسي، إلى السيليكون ، الذي يستهدف المنطقة الحمراء، سجلت أكسفورد PV رقمًا قياسيًا في كفاءة الخلايا الشمسية بأكثر من 29.5%.

قالت ميراندا بيريز إنه مع مزيد من التطوير، يمكن أن تصل الكفاءات إلى 39%، أثبتت فرق بحثية أخرى أن الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت فقط وليس السيليكون قابلة للحياة أيضًا، لكن هذه الخلايا الشمسية لا يمكن أن تتجاوز الفعالية العملية لأي خلية شمسية مفردة ، والتي تبلغ حوالي 26%.

قالت ميراندا بيريز إن النهج متعدد الوصلات أو الترادف لـ Oxford PV هو أفضل طريقة لكسر حاجز الكفاءة العملية بنسبة 26 ٪.

درجة من الانضباط

قال جوزيف بيري، عالم في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن الأمريكية، الذي لم يشارك في الدراسة الجديدة: “من بين جميع تقنيات الخلايا الشمسية البديلة، أثبتت الخلايا الترادفية المصنوعة من السيليكون/ البيروفسكايت أنها الأكثر نجاحًا لأنها توفر درجة من الانضباط لا تتوفر لديك مع الكثير من التقنيات المنافسة”، مضيفا “يقوم هذا المنظور الجديد بعمل هام لإظهار كيف يمكن للبيروفسكايت تحسين تقنيات السيليكون وتطويرها دون مقاطعة التصنيع.”

التوسع بشكل مستدام

ركزت شركة Oxford PV ، وهي شركة أسسها الفيزيائي بجامعة أكسفورد هنري سنيث في عام 2010، على تطوير خلايا ترادفية من البيروفسكايت على السيليكون منذ عام 2014، في البداية ، كان ضمان استقرار البيروفسكايت على المدى الطويل هو التحدي الرئيسي، لكن البيروفسكايت الحالي- اجتازت خلايا السيليكون الترادفية اختبارات الإجهاد الرئيسية المتسارعة للخلايا الشمسية، والمعروفة باسم IEC 61215، التي أنشأتها اللجنة الكهروتقنية الدولية.

من المتوقع أن تلبي الخلايا الترادفية أو تتجاوز توقعات الصناعة البالغة 25 عامًا أو أكثر من المتانة في هذا المجال.

تتمثل الخطوة التالية للفريق في زيادة الإنتاج في مصنع Oxford PV في ألمانيا ، والذي يضم أول خط إنتاج بيروفسكايت على السيليكون في العالم، بسعة 100 ميجاوات.

قالت ميراندا بيريز: “تم الانتهاء من بناء الخط ، وسنقوم بدخول الخلايا الترادفية إلى السوق العام المقبل”، في البداية، سيتم توفير الخلايا الشمسية للشركة لأسطح المنازل، حيث تكون المساحة أعلى من سعرها، مع القدرة الإنتاجية الإضافية، وضعت Oxford PV أعينها على الأسطح التجارية والتطبيقات على نطاق واسع.

أزمة المناخ

وأوضحت ميراندا بيريز: “بصفتنا شركة، نشعر بقلق بالغ إزاء أزمة المناخ، وأفضل طريقة يمكن أن نؤدي بها دورنا هي نشر هذه التكنولوجيا بأسرع ما يمكن”.

مع التزام البلدان بخفض الانبعاثات لتحقيق أهداف الأمم المتحدة المناخية بحلول عام 2050 ، من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية أكثر انتشارًا.

التقنيات الترادفية ستكون ضرورية لتحقيق أهداف الطاقة الشمسية والمناخية في المستقبل، قالت ميراندا بيريز: “نريد مساعدة الناس على فهم الإمكانات الهائلة لتكنولوجيا البيروفسكايت على السيليكون الترادفي لتعزيز كفاءة التركيبات الشمسية ومساعدة العالم على الوصول إلى هدف توفير الطاقة المستدامة للجميع”.