ابتكارات خلايا الطاقة الشمسية “الثورية” تكسر عتبة الطاقة الرئيسية

لتفادي السيناريوهات الكارثية المرتبطة بالاحترار العالمي يجب زيادة السعة الإجمالية حوالي 75 تيراواط بحلول 2050

تجاوزت خلايا الطاقة الشمسية معلمًا رئيسيًا يتمثل في كفاءة استخدام الطاقة بنسبة 30٪ ، بعد ابتكارات أجرتها مجموعات بحثية متعددة حول العالم.

هذا العمل يجعل من هذا العام “ثوريًا”، وفقًا لأحد الخبراء، ويمكن أن يسرع من انتشار الطاقة الشمسية.

تستخدم الألواح الشمسية اليوم خلايا أساسها السيليكون ولكنها تقترب بسرعة من الحد الأقصى لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بنسبة 29٪، في الوقت نفسه، يحتاج معدل تركيب الطاقة الشمسية إلى زيادة عشرة أضعاف من أجل معالجة أزمة المناخ، وفقًا للعلماء.

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، مع امتصاص المزيد من الطاقة للخلية، تكون تكلفة الكهرباء الشمسية أرخص، ويمكن نشرها بشكل أسرع للمساعدة في الحفاظ على التدفئة العالمية تحت السيطرة.

عام ثوري

خضعت الخلايا “الترادفية” من مادة البيروفسكايت والسيليكون للبحث منذ حوالي عقد من الزمان، لكن التحسينات التقنية الأخيرة دفعتها الآن إلى تجاوز 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.

نشرت مجموعتان تفاصيل اختراقات الكفاءة في مجلة Science يوم الخميس، ومن المعروف أن مجموعتين أخريين على الأقل تجاوزتا 30٪.

قال البروفيسور ستيفان دي وولف من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا في المملكة العربية السعودية: “هذا العام هو عام ثوري”، “إنه لأمر مثير للغاية أن الأمور تتحرك بسرعة مع مجموعات متعددة.”

سجل الكفاءة الحالي للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون فقط هو 24.5٪ في الخلايا التجارية و 27٪ في المختبر، قد يكون الأخير أقرب ما يمكن للخلايا عمليا الوصول إلى الحد الأقصى النظري وهو 29٪.

معالم بارزة

لكن مجموعة واحدة بقيادة البروفيسور ستيف ألبريشت في مركز هيلمهولتز برلين للمواد والطاقة في ألمانيا، نشرت الآن معلومات حول كيفية تحقيقها لكفاءة تصل إلى 32.5٪ لخلايا بيروفسكايت السيليكون.

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

قال 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. تم التحقق من جميع قياسات الكفاءة بشكل مستقل.

قال دي وولف: “إن تجاوز عتبة 30٪ يوفر الثقة في إمكانية طرح أنظمة كهروضوئية عالية الأداء ومنخفضة التكلفة في السوق”.

وصلت قدرة الطاقة الشمسية العالمية إلى 1.2 تيراواط في عام 2022، مضيفا “لتفادي السيناريوهات الكارثية المرتبطة بالاحترار العالمي، يجب زيادة السعة الإجمالية إلى حوالي 75 تيراواط بحلول عام 2050”.

إلى زيادة تمويل البحث والتطوير

تعد صناعة الطاقة الشمسية أيضًا جزءًا من السباق نحو الكفاءة العالية، أعلنت شركة LONGi الصينية ، أكبر منتج للخلايا الشمسية في العالم في يونيو أنها وصلت إلى 33.5٪ في أبحاثها. قال Li Zhenguo ، رئيس LONGi يظل خفض تكلفة الكهرباء هو الموضوع الدائم الذي يقود تطوير صناعة الخلايا الكهروضوئية”.

قال دي وولف: “الصناعة تعمل بسرعة كبيرة جدًا”، “وأنا متأكد من أن العديد من الشركات تعمل على هذا في الصين،” وقال إن أوروبا والولايات المتحدة بحاجة إلى زيادة تمويل البحث والتطوير لمواكبة الإسراع في طرح الطاقة الشمسية والمساهمة فيه.

جميع الخلايا الترادفية عالية الكفاءة التي تتجاوز كفاءة 30٪ صغيرة حتى الآن، بقياس 1 سم في 1 سم، تحتاج الآن إلى زيادة حجمها إلى حجم الخلايا التجارية، والتي تبلغ مساحتها 16 سم مربع.

التحديات أمام الخلايا الترادفية

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

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

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

كان مفتاح الكفاءات الأعلى للخلايا الترادفية من المجموعتين الألمانية والسويسرية هو معالجة العيوب الصغيرة على سطح طبقة البيروفسكايت، تسمح هذه لبعض الإلكترونات المحررة بواسطة الفوتونات الشمسية بالتدفق مرة أخرى إلى البيروفسكايت ، بدلاً من المساهمة في التيار الكهربائي للخلية وبالتالي تقليل كفاءتها.

كان الحل هو وضع طبقة من الجزيئات العضوية بين البيروفسكايت والطبقة الموصلة التي يتدفق من خلالها التيار، مما يعوض العيوب.

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

قال البروفيسور روب جروس، مدير مركز أبحاث الطاقة في المملكة المتحدة: “الطاقة الشمسية هي بالفعل وسيلة منخفضة التكلفة لتوليد الكهرباء ولديها قاعدة موارد واسعة في جميع أنحاء العالم، 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، التحسينات 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 يكون 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 .