جسيمات الألومينا المتينة تزيد من عمر خلية الطاقة الشمسية بيروفسكايت 10 مرات

قام فريق من الباحثين المبتكرين بنشر دراسة تظهر كيف يمكن لجسيمات الألومينا المتينة أن تمتد عمر لوحة الطاقة الشمسية عشر مرات. مع اقتراب المجتمع العالمي من هدف الوصول إلى صافي انبعاثات الكربون الصفرية في العقود القليلة القادمة ، هناك دفع قوي للحصول على الطاقات المتجددة في السوق. تقدم خيارات الطاقة المتجددة مثل توربينات الرياح واللوحات الشمسية حلاً موثوقًا وظيفيًا للطاقة النظيفة. ومع ذلك ، هذه الأجهزة ليست مثالية ، وتتدهور أدائها بمرور الوقت.

أنواع اللوحات الشمسية

تستمر تقنية اللوحات الشمسية في التطور. اليوم ، هناك أربعة أنواع رئيسية من اللوحات الشمسية في السوق: PERC و monocrystalline و polycrystalline و thin-film panels. تتمتع هذه الخيارات بمزايا وعيوب فيما يتعلق بالكفاءة ومتوقع الحياة و크기 المتانة.

PERC (خلايا الباعث والمستلم المقسى)

تدمج لوحات PERC الشمسية تصميمًا ثنائي الطبقة لتحقيق أقصى كفاءة. على سبيل المثال ، يمكن أن تحقق هذا النوع من اللوحة الشمسية كفاءة تزيد عن 20٪ باستخدام هذا الإعداد. كما توفر متانة ومتوقع حياة متوسطًا. ومع ذلك ، فهي أكثر خيار مكلف في القائمة ، مما يجعلها غير مثالية لمعظم أصحاب المنازل.

البلورات أحادية

اللوحات الشمسية البلورية أحادية هي خيار آخر مكلف ينتج كفاءة 20٪. تستخدم هذه اللوحة مادة الكريستال السيليكوني كموادها الأساسية. يوفر الإعداد أطول متوقع حياة من بين الخيارات الأربع ، ولكنه يضيف أيضًا إلى التكلفة الإجمالية للوحات.

Source – ACS

البلورات متعددة التوجيه

تُصنع اللوحات الشمسية متعددة التوجيه عن طريق صهر شظايا السيليكون معًا. يقلل هذا النهج من تكاليف التصنيع ، مما يجعل هذا الخيار أكثر ملاءمة. ومع ذلك ، تكون هذه الوحدات أكبر من نظرائها وأقل كفاءة. في معظم الحالات ، تبلغ كفاءتها المتوسطة 15٪.

اللوحات الرقيقة

توفر اللوحات الشمسية الرقيقة أقل كفاءة ، ولكنها توفر المرونة والتكلفة الأكثر ملاءمة. هذه هي اللوحات التي ترىها على المركبات الترفيهية وغيرها من المناطق حيث يكون هناك قلة في المساحة. يمكن تصنيع لوحات الفيلم الرقيق من مجموعة متنوعة من المواد. من الخيارات الشائعة هي CdTe (كادميوم التلوريد) و a-Si (السيليكون غير المتبلور).

خلايا الطاقة الشمسية بيروفسكايت (PSCs)

خلايا الطاقة الشمسية بيروفسكايت هي أكثر أنواع اللوحات الشمسية المتقدمة المستخدمة اليوم. توفر هذه اللوحات السيليكونية كفاءة عالية من شكل خفيف ومتين. لتحقيق هذه المهمة ، تتضمن طبقات ذاتية التجميع (SAMs) لتحسين الأداء دون زيادة الأسعار.

مشاكل مع PSCs

لا تزال PSCs تعاني من العديد من العيوب. على سبيل المثال ، تعاني من تسرب اليود مثل خيارات اللوحة الأخرى. يحدث توليد اليود الجزيئي بمرور الوقت بسبب التفاعلات الكيميائية داخل هذه المواد ، مما يزيد من عمليات التدهور ويقلل الأداء.

دراسة جسيمات الألومينا

معترفًا بنقص الفهم للتأثير من المحسنات الجزيئية على الخصائص الكهربائية والإلكترونية على نطاق النانو لبيروفسكايت وثبات الجهاز ، قدم مهندسون من جامعة سري طريقة جديدة لتحسين متوقع الحياة وأداء هذه الأجهزة.
تظهر الدراسة “تحسين الاستقرار والتوحيد الإلكتروني في خلايا الطاقة الشمسية بيروفسكايت من خلال طبقة أكسيد مدفونة محسنة على نطاق النانو“¹ المنشورة في EES Solar أعمال داخل هذه المواد أثناء عملية التدهور ، مما يسمح للمهندسين بالفهم بشكل أفضل للمعدلات السطحية وكيف يمكن استخدامها لتحسين الأجهزة المستقبلية. في إطار الدراسة ، بدأ الفريق بتحديد متانة أنواع اللوحات الشمسية الرئيسية ضد بعضها البعض.

PFN–Br

هذا الكهربائي الشائع يستخدم في PSCs. يوفر أداء موثوقًا ومتوقع حياة متوسطًا. قرر الفريق استخدام هذا المواد لأنه يُعتبر الأكثر تقدمًا في السوق اليوم.

جسيمات الألومينا (Al₂O₃)

طور المهندسون جسيمات الألومينا (Al₂O₃) كجزء من بحثهم. تم تصميم هذه الجسيمات الصغيرة لتقاط اليود الذي يتم إطلاقه داخل اللوحة الشمسية بمرور الوقت. كان الهدف هو منع اليود من الهروب إلى بقية الخلية وتدهور الأداء.

بيروفسكايت 2D

لتحقيق هذه المهمة ، أنشأ المهندسون حاجز بيروفسكايت 2D ضد الرطوبة. عمل هذا الحاجز على منع أي مواد خارجية من الدخول إلى اللوحة التي تسبب تدهورها. ساهم هذا الاستراتيجية في زيادة موثوقية اللوحة ومتانتها.

اختبار جسيمات الألومينا

为了 اختبار نظريةهم ، كان على المهندسين وضع اللوحات في ظروف العالم الحقيقي. في مرحلة الاختبار ، قام الفريق بصنع سيناريوهات حرارة ورطوبة قاسية. ثم وضعت اللوحات في هذه المناطق واختبرت. باستخدام مطياف фотоإلكترون الأشعة السينية (XPS) ، قام الفريق بمراقبة تقدم الخلايا التالفة في ظروف مرهقة.

ميكروسكوب قوة مسح كلفن

من هناك ، استخدم المهندسون ميكروسكوب قوة مسح كلفن لمراقبة تأثير المعدلات على السطح والتوحيد الإلكتروني للعينات الطازجة والتالفة. تم استخدام ميكروسكوب KPF لتحليل التوحيد الإلكتروني السطحي لأفلام بيروفسكايت. هذا ساعد الباحثين على فهم كيف تساهم جسيمات الألومينا في تحسين الاستقرار وتقليل التدهور ، بدلاً من ملاحظة عملياتها مباشرة.

اختبار الاستقرار

شمل اختبار الاستقرار رؤية كيف تمسكت طبقة الحاجز الرطب المغلف مع مرور الوقت. تم اختبار الأجهزة بشكل دوري بعد كل دورة التعرض. ساعدت هذه الاستراتيجية العلماء على إجراء مقارنات مباشرة لكل خلية.

نتائج اختبار جسيمات الألومينا

تظهر نتائج الاختبار وعد كبير لهذه التكنولوجيا. على سبيل المثال ، أنتجت الخلايا المصنعة مع جسيمات الألومينا أكثر طاقة ويمكن أن تصنع بشكل أخف. أظهرت هذه الأجهزة أداءً عاليًا مع تدهور إنتاج القوة الدافعة الأدنى المسجل خلال 1530 ساعة من الاختبار.
بشكل خاص ، أظهرت الوحدات المزودة بجسيمات النانو كفاءة أطول بعشر مرات من السابقة. وجد المهندسون أن جسيمات Al₂O₃ ساهمت في هيكل بيروفسكايت أكثر توحيدًا. قدم هذا الهيكل المحسن بنية أقل عيوبًا وزيادة في الاتصال الكهربائي.
بصورة مثيرة للإعجاب ، أنشأت الجسيمات طبقة حماية 2D حمت الوحدات من دخول الرطوبة. أظهرت الاختبارات معدل thẩm thấm منخفضًا يبلغ حوالي 4 × 10−3 غم لكل متر مربع في اليوم. وبالتالي ، تكون الوحدات الجديدة أكثر ملاءمة للظروف الجوية السيئة والتركيبات الدائمة.

فوائد جسيمات الألومينا

هناك قائمة طويلة من الفوائد التي تجعل جسيمات الألومينا بديلاً حكيمًا لخيارات أخرى. على سبيل المثال ، توفر كفاءة عالية من شكل صغير. أولئك الذين لديهم أماكن محدودة ، مثل أسطح المنازل الحضرية ، سيحصلون على المزيد من هذه اللوحات.

متوقع الحياة الأطول

إضافة الطاقة الشمسية إلى منزلك أو عملك ليست رخيصة. من الشائع أن تكلف نظامًا أكثر من 50 ألف دولار. أي تكنولوجيا يمكن أن تحسن من متوقع الحياة لهذه الأجهزة وتقلل التكاليف من المؤكد أن تشهد تبنيًا سريعًا في السوق.

أرخص لتصنيع

من الفوائد الرئيسية الأخرى لإنشاء لوحات جسيمات الألومينا النانوية أنها تكلف أقل في التصنيع عند النظر في زيادة محتملة في عمرها. مع تقدم اللوحات الشمسية ، كان الاتجاه هو أن تكون الإصدارات الجديدة أكثر تكلفة بشكل كبير من سابقة. يمكن أن يعكس هذا الكسر العلمي هذا الاتجاه ويسمح للمصنعين بتقديم منتجات أفضل بأقل تكلفة.

باحثو جسيمات الألومينا

تم تقديم دراسة جسيمات الألومينا من قبل فريق من المهندسين من جامعة سري. يُظهر ذلك و. هاشيني ك. بيريرا كالمؤلف الرئيسي ، إلى جانب فريق من المتعاونين من المعمل الوطني الفيزيائي وجامعة شيفيلد. الآن ، يسعى الفريق إلى مواصلة بحثه في تحسين اللوحات الشمسية مع هدف التطوير التكنولوجي بما يكفي لإنتاج منتجات تجارية في غضون 2-5 سنوات.

الشركات الرائدة في سوق اللوحات الشمسية

أدى السباق إلى الطاقة النظيفة إلى ظهور العديد من مصنعي اللوحات الشمسية واللاعبين الرئيسيين في السوق. من أولئك الذين يطورون تكنولوجيا جديدة إلى العمال الذين يقومون بتثبيت اللوحات ، يستمر القطاع في التوسع. هنا شركة موضعة للاستفادة من أي كسر علمي كبير في تكنولوجيا الطاقة الشمسية وزيادة العوائد.

First Solar, Inc.

دخلت First Solar Inc. (FSLR )السوق في عام 1999 بهدف تقديم أنظمة طاقة شمسية موثوقة إلى السوق العالمية. على سبيل المثال ، تم إعادة تسمية الشركة من Solar Cells كجزء من تحول الشركة نحو الخلايا الكهروضوئية (PV). حاليًا ، يقع المقر الرئيسي للشركة في تمبي ، أريزونا ، وتقدم مجموعة واسعة من حلول الطاقة الشمسية.
على سبيل المثال ، First Solar هي الشركة الأمريكية الوحيدة الرائدة لمجموعات الأنظمة الشمسية التي لا تستخدم التصنيع الصيني. تصنع الشركة لوحاتها الرقيقة من الكادميوم التلوريد (CdTe) في الولايات المتحدة. بالإضافة إلى ذلك ، كانت First Solar من بين أول الشركات التي تقدم لوحات شمسية موثوقة من الكادميوم التلوريد (CdTe) إلى السوق.