جمع الطاقة الشمسية من كلا الجانبين، عملية جديدة تعزز كفاءة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة CIGS ثنائية الطور.
الفكرة بسيطة ومباشرة، إذا كان بإمكاني جمع ضوء الشمس المباشر وكذلك انعكاسه عبر الطرف الخلفي لخلويتي الشمسية، فيجب أن يزيد هذا من إنتاجية الطاقة التي تنتجها الخلية.
التطبيقات المحتملة هي، على سبيل المثال، بناء الخلايا الكهروضوئية المتكاملة، والخلايا الزراعية – الاستخدام المتزامن لمناطق الأرض لتوليد الطاقة الكهروضوئية والزراعة – ووحدات الطاقة الشمسية المثبتة عموديًا أو عالي الإمالة على أرض مرتفعة.
أدخل الخلية الشمسية ثنائية الوجه، وفقًا لخريطة طريق التكنولوجيا الدولية للخلايا الكهروضوئية، يمكن أن تستحوذ الخلايا الشمسية ثنائية الوجه على حصة سوقية تبلغ 70٪ من سوق الخلايا الكهروضوئية الكلي بحلول عام 2030.
على الرغم من أن الخلايا الشمسية ثنائية الوجه القائمة على رقائق السيليكون موجودة بالفعل في السوق، إلا أن الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة قد تخلفت عن الركب حتى الآن، جزئيًا على الأقل، بسبب الكفاءة المنخفضة نوعًا ما للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة CIGS ثنائية الوجه الناتجة عن مشكلة عنق الزجاجة الحرجة:
لكي تتمكن أي خلية شمسية ثنائية الوجه من جمع ضوء الشمس المنعكس في الجانب الخلفي، اتصال كهربائي شفاف بصريًا هو شرط أساسي، يتم تحقيق ذلك باستخدام أكسيد موصل شفاف (TCO) يحل محل التلامس الخلفي المعتم في الخلايا الشمسية التقليدية- أي أحادية الوجه – المصنوعة من الموليبدينوم.
تكوين أكسيد ضار
وهنا تبدأ المشاكل، يتم إنتاج الخلايا الشمسية CIGS عالية الكفاءة بشكل عام عن طريق عملية ترسيب ذات درجة حرارة عالية ، أي أعلى من 550 درجة.
في درجات الحرارة هذه، يحدث تفاعل كيميائي بين الغاليوم (من طبقة CIGS) والأكسجين من جهة الاتصال الخلفية الشفافة – أكسيد. تمنع طبقة واجهة أكسيد الغاليوم الناتجة تدفق التيار المتولد من ضوء الشمس، وبالتالي تقلل من كفاءة تحويل الطاقة للخلية. أعلى القيم التي تم تحقيقها حتى الآن في خلية واحدة هي 9.0٪ للجانب الأمامي و 7.1% للجانب الخلفي.
تيواري، التي تقود مختبر إمبا للأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية: “من الصعب حقًا الحصول على كفاءة تحويل طاقة جيدة للخلايا الشمسية مع جهات اتصال موصلة شفافة أمامية وخلفية”.
لذا ، دكتوراه. طور الطالب Shih-Chi Yang في مجموعة Romain Carron في مختبر Tiwari عملية ترسيب جديدة في درجات الحرارة المنخفضة، والتي من المفترض أن تنتج كمية أقل بكثير من أكسيد الغاليوم الضار- من الناحية المثالية لا شيء على الإطلاق. استخدموا كمية ضئيلة من الفضة كمكون سري من نوع ما لخفض درجة انصهار سبيكة CIGS وللحصول على طبقات ماصة ذات خصائص إلكترونية جيدة عند درجة حرارة ترسيب 350 درجة فقط.
وبالتأكيد، عندما حللوا البنية متعددة الطبقات باستخدام مجهر إلكتروني عالي الدقة للإرسال، بمساعدة باحث ما بعد الدكتوراة السابق لـ Tiwari Tzu-Ying Lin، الموجود حاليًا في جامعة Tsing Hua الوطنية في تايوان ، لم يتمكن الفريق من اكتشاف أي أكسيد الغاليوم في الواجهة على الإطلاق.
الهدف الطموح: إنتاج طاقة أكثر من 33%
وقد انعكس ذلك أيضًا من خلال تحسين كفاءة تحويل الطاقة بشكل كبير، أنتجت الخلية قيم 19.8٪ للإضاءة الأمامية و 10.9٪ للإضاءة الخلفية التي تم اعتمادها بشكل مستقل من قبل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية(ISE) في فرايبورج/ ألمانيا – في نفس الخلية على طبقة زجاجية.
علاوة على ذلك، نجح الفريق أيضًا في تصنيع، ولأول مرة، خلية شمسية CIGS ثنائية الوجه على ركيزة بوليمر مرنة، والتي – نظرًا لوزنها الخفيف ومرونتها – توسع نطاق التطبيقات المحتملة، وأخيرًا، قام الباحثون بدمج تقنيتين من الخلايا الكهروضوئية – CIGS وخلايا بيروفسكايت الشمسية – لإنتاج خلية “ترادفية” ثنائية الوجه.
وفقًا لـ Tiwari ، فإن تقنية CIGS ثنائية الوجه لديها القدرة على إنتاج كفاءات تحويل للطاقة تتجاوز 33 %، وبالتالي فتح المزيد من الفرص للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في المستقبل.
تحاول Tiwari الآن إنشاء جهد تعاوني مع المختبرات والشركات الرئيسية في جميع أنحاء أوروبا لتسريع تطوير التكنولوجيا وقابليتها للتصنيع الصناعي على نطاق أوسع.
