خلايا كهروضوئية ميكرومترية: دراسة عام 2023 لتصغير الأجهزة

في عصر أصبحت فيه حلول الطاقة المستدامة أكثر أهمية، يتواصل تطوير تقنيات الخلايا الشمسية. وفي نوفمبر 2023، أعلنت جامعة أوتاوا أن فريقاً من العلماء صنّع خلايا كهروضوئية ميكرومترية ذات تلامسات خلفية. ووصفت الجامعة ذلك بأنه خطوة مهمة في تصغير الأجهزة الإلكترونية. وتتعلق الأسبقية بهذا التصميم الميكرومتري المحدد، لا بكل الخلايا الشمسية ذات التلامسات الخلفية.

الفريق المسؤول عن هذا التقدم كان بقيادة:

• ماثيو دي لافونتين، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أوتاوا وأستاذ فيزياء بدوام جزئي
• كارين هينزر، نائبة العميد لشؤون البحث وصاحبة كرسي أبحاث الجامعة في الأجهزة الضوئية للطاقة بكلية الهندسة

بينما كانت جامعة أوتاوا مركزية لهذا الاختراق، فقد حظى الفريق أيضًا بدعم من جامعة شيربروك في كيبيك ومختبر تقنيات الميكروإلكترونيات في غرونوبل، فرنسا.

ما هي الخلايا الكهروضوئية؟

تحول الخلايا الكهروضوئية، أو الشمسية، الضوء مباشرة إلى كهرباء. وعندما يمتص شبه الموصل فوتونات مناسبة تتولد حاملات شحنة، هي الإلكترونات والفجوات. وتفصل بنية الخلية هذه الشحنات لتنتج جهداً وتياراً في الدائرة الخارجية.

الخلايا هي الوحدات الأساسية للألواح الشمسية. ويقدم البحث طريقة لصنع أجهزة ضوئية مولدة للطاقة أصغر حجماً، بما قد يخدم الأنظمة الإلكترونية الأكثر كثافة.

ما هي “الخلايا الكهروضوئية الميكروية ذات الاتصال الخلفي”؟

تضع الخلايا ذات التلامسات الخلفية تلامساتها الكهربائية في الخلف بدلاً من وجود تلامسات أيضاً على السطح المستقبل للضوء، فتقل مساحة الحجب التي تسببها الأقطاب. واستخدمت الدراسة خلايا ميكروية ثلاثية الوصلات من أشباه موصلات III-V والجرمانيوم؛ وليست مجرد نسخة أصغر من لوح السيليكون المعتاد.

ما هو تأثير “الظل”؟

يشير الحجب في الخلايا الشمسية إلى منع التلامسات جزءاً من الضوء من الوصول إلى المادة الفعالة. وتجمع التلامسات المعدنية الأمامية في كثير من الخلايا التقليدية التيار وتنقله، لكنها تغطي أيضاً جزءاً من السطح.

هذه الاتصالات، مع ذلك، يمكن أن تحجب جزءًا من ضوء الشمس الوارد، مما يمنع وصوله إلى المادة الكهروضوئية أسفلها. هذه العوائق تقلل من كمية الضوء المتاحة للتحويل إلى كهرباء، وبالتالي تقلل من الكفاءة العامة للخلية الشمسية.

المصدر: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

تقليل هذا التأثير الظلي أمر حاسم لعدة أسباب:

1. زيادة الكفاءة: من خلال تقليل المنطقة التي تغطيها الاتصالات، يمكن للمزيد من سطح الخلية أن يشارك بنشاط في امتصاص الضوء وتحويله إلى كهرباء. هذا يعزز الكفاءة العامة للخلية، مما يسمح لها بتوليد طاقة أكبر من نفس كمية ضوء الشمس.
2. الجدوى الاقتصادية: قد تقلل الكفاءة الأعلى المساحة اللازمة لإنتاج مقدار معين من الطاقة. لكن تكلفة النظام تتوقف أيضاً على التصنيع والتركيب وبقية المكونات، وليست نتيجة الكفاءة وحدها.
3. التنوع والمرونة في التصميم: تقليل الظل يسمح بتصاميم خلايا شمسية أكثر ابتكارًا ومرونة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تطوير خلايا ليست فقط أكثر كفاءة ولكن أيضًا أرق وأخف وزنًا، وهو ما يكون مفيدًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب مساحة ووزنًا محدودين، مثل الفضاء الجوي، الأجهزة المحمولة، والحلول المتكاملة في المباني.

يمثل تقليل الحجب مساراً مهماً لتطوير التقنية الشمسية. وتبدي الخلايا الميكرومترية ذات التلامسات الخلفية إمكانات لتحسين التصميم، لكن الانتشار التجاري والتكلفة يتوقفان على تطوير أنظمة عملية.

لماذا يعتبر التصغير مهمًا؟

يساعد التصغير على استخدام المساحة والموارد بكفاءة أكبر في الإلكترونيات وتقنيات الطاقة. وقد قارنت الجامعة حجم الخلية بنحو ضعفي سمك شعرة الإنسان، لا سمك الغشاء شبه الموصل نفسه. وتذكر الورقة أغشية III-V بسمك 20 ميكرومتراً يجري التعامل معها بربط الرقائق. أما انخفاض تكلفة إنتاج الطاقة بما يصل إلى ثلاثة أضعاف فكان فائدة محتملة في الإعلان، لا انخفاضاً مثبتاً في سعر جميع الألواح الشمسية.

بحسب دي لافونتين، يمكن للخلايا الشمسية الأقل تكلفة والأعلى أداءً أن تساعد في تسريع التحول في الطاقة.

وأشار أيضاً إلى إمكانات البطاريات النووية الخفيفة لاستكشاف الفضاء والأجهزة المصغرة لإنترنت الأشياء والحواسيب والهواتف الذكية. – ماثيو دي لافونتين

يمكن أن يساعد التصغير في تكييف الأجهزة مع بيئات مختلفة. وقد تزود الخلايا الصغيرة أجهزة إنترنت الأشياء بالطاقة عندما يتوفر الضوء الكافي وتناسبها متطلبات التشغيل؛ لكنها لا تلغي كل قيود الإمداد أو التخزين. ويمكن أن يسهم التطوير في توليد الطاقة واستهلاكها بصورة أكثر استدامة.

أين تُستخدم؟

تمتلك الخلايا الكهروضوئية مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتوسع باستمرار مع التقدمات مثل تصنيع الاتصال الخلفي. هذه المرونة والجاذبية تعود إلى قدرتها على توليد الكهرباء بطريقة نظيفة ومتجددة.

إلى جانب توليد الطاقة التقليدي، فهي جزء أساسي في أنظمة الطاقة عن بُعد والمحمولة، مثل تلك المستخدمة في استكشاف الفضاء، حيث تزود الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية بالطاقة.

يمكن أن يوسع تصغير الخلايا تطبيقاتها في الأجهزة الإلكترونية الكثيفة والاتصالات وإنترنت الأشياء، من خلال حلول شمسية أصغر حجماً وأكثر مرونة، وفق متطلبات كل تطبيق.

شركات في القطاع

فيما يلي أمثلة لشركات الطاقة الشمسية والمتجددة التي ناقشها المقال في 2023. والقيمة السوقية ونسبة السعر إلى الأرباح وربحية السهم الثابتة في الجداول أرقام تاريخية من المقال الأصلي، بالدولار الأمريكي حيث ينطبق، وليست بيانات حالية. أما أدوات أسعار الأسهم المتغيرة فهي منفصلة عنها.

1.  NextEra Energy Resources

NEE مخطط السعر

NextEra Energy (NEE ) Resources شركة تابعة لـ NextEra Energy المدرجة؛ وأداة NEE والجدول يخصان الشركة الأم. وفي تقرير الربع الأول من 2023، أضافت Energy Resources نحو 2,020 ميغاواط من مشاريع المتجددة والتخزين إلى سجلها، منها نحو 1,370 ميغاواط شمسية و450 ميغاواط تخزين و200 ميغاواط رياح. وبلغ سجل المشاريع نحو 20.4 غيغاواط؛ وهذا ليس رصيد أصول تعمل كلها بالفعل.

من المشاريع المذكورة آنذاك Sebree Solar بإجمالي 400 ميغاواط في مقاطعة هيندرسون بكنتاكي. وبحسب المطور، بدأت المرحلة الأولى البالغة 250 ميغاواط التشغيل في سبتمبر 2025، بينما خُطط للمرحلة الثانية البالغة 150 ميغاواط بنهاية 2026، رهناً بالموافقات اللازمة.

وشملت المشاريع التاريخية أيضاً Green River Solar بقدرة 200 ميغاواط في كنتاكي، عبر شركة تابعة لـ NextEra Energy Resources. وتوضح هذه الأمثلة نشاطها الشمسي، ولا تعني تبنيها تقنية أوتاوا الميكرومترية نفسها.

2.  First Solar

FSLR مخطط السعر

First Solar (FSLR ) تصنع وحدات شمسية رقيقة من تيلوريد الكادميوم. وفي الربع الثالث من 2023، أعلنت صافي مبيعات قدره 801 مليون دولار وبيع وحدات تعادل 2.7 غيغاواط. وكان هدفها آنذاك الوصول إلى قدرة تصنيع اسمية سنوية عالمية تقارب 25 غيغاواط بحلول 2026، لا إنتاج هذا المقدار فعلياً في 2023.

وقدمت في 2023 وحدات رقيقة ثنائية الوجه، تستفيد من الضوء الخلفي لزيادة الطاقة تبعاً للموقع وتصميم النظام. ولا يعني ذلك مضاعفة الخرج تلقائياً.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG مخطط السعر

SolarEdge Technologies (SEDG ) تقدم تقنيات للطاقة الذكية. وفي الربع الأول من 2023، سجلت إيرادات قدرها 943.9 مليون دولار، منها 908.5 مليون دولار من قطاع الطاقة الشمسية. وفي الربع نفسه شحنت عواكس بقدرة إجمالية 3.6 غيغاواط تيار متردد وبطاريات بسعة 221 ميغاواط-ساعة. وهذه أرقام ربع محدد لا إجمالي العام، وسعة البطاريات هنا طاقة لا قدرة بالميغاواط.

الإشارات البارزة

الخاتمة

تظهر الخلايا الميكرومترية ذات التلامسات الخلفية إمكانات لتقليل حجب الأقطاب وصنع أجهزة ضوئية مولدة للطاقة أصغر حجماً. وقد يوسع ذلك تطبيقات الطاقة الشمسية، لكن الدراسة لا تثبت أن جميع الألواح ستصبح فوراً أقل تكلفة أو أعلى كفاءة.

وسيحدد البحث الإضافي وتوسيع التصنيع كيفية دمج هذا التطور في أنظمة عملية للطاقة النظيفة.