الخلايا الكهروضوئية الميكروية: ‘اختراق تكنولوجي’ لتصغير الأجهزة

في عصر حيث حلول الطاقة المستدامة أكثر أهمية من أي وقت مضى، يقف تطور تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية (الشمسية) في طليعة الابتكار. مثال حديث على ذلك يأتي من جامعة أوتاوا (U of O)، حيث نجح فريق من العلماء في “تحقيق أول عالمي من خلال تصنيع أول خلايا كهروضوئية ميكروية ذات اتصال خلفي”. يُوصف هذا بأنه “خطوة حاسمة” في تسهيل استمرار تصغير حجم الإلكترونيات.

الفريق المسؤول عن هذا الاختراق كان بقيادة:

• ماثيو دي لافونتين، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أوتاوا وأستاذ فيزياء بدوام جزئي
• كارين هينزر، نائبة عميد، أبحاث، ورئيس 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؟

الخلايا الكهروضوئية، المعروفة عادةً باسم الخلايا الشمسية، هي أجهزة تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. تعمل على مبدأ تأثير الخلية الكهروضوئية، حيث تُحدث طاقة الضوء (الفوتونات) التي تصطدم بالمواد شبه الموصلة مثل السيليكون تيارًا كهربائيًا. يحدث هذا عندما تُقذف الفوتونات الإلكترونات من مداراتها الذرية، محدثة تدفقًا للشحنة الكهربائية.

هذه الخلايا هي اللبنات الأساسية للألواح الشمسية وتُعد حاسمة في استغلال الطاقة الشمسية، مصدر طاقة متجدد ونظيف. يمثل التقدم الأخير من جامعة أوتاوا في تطوير خلايا كهروضوئية ميكروية قفزة كبيرة في هذه التقنية، حيث يقدم حلولًا أكثر كفاءة وضغطًا.

ما هي “الخلايا الكهروضوئية الميكروية ذات الاتصال الخلفي”؟

كما ذُكر، تمثل الخلايا الكهروضوئية الميكروية ذات الاتصال الخلفي تقدمًا رائدًا في تكنولوجيا الطاقة الشمسية. على عكس الخلايا الشمسية التقليدية، حيث تكون الاتصالات الكهربائية موجودة على السطحين الأمامي والخلفي، فإن خلايا الاتصال الخلفي تضع جميع اتصالاتها الكهربائية على الجانب الخلفي.

هذا التصميم الفريد يقلل بشكل كبير من تأثير الظل الناجم عن الأقطاب على سطح الخلية، مما يعزز قدرة الخلية على التقاط ضوء الشمس.

ما هو تأثير “الظل”؟

يشير تأثير “الظل” في الخلايا الشمسية إلى عرقلة ضوء الشمس بسبب وجود الاتصالات الكهربائية على سطح الخلية. تحتوي الخلايا الكهروضوئية التقليدية على اتصالات معدنية (عادةً من الفضة أو الألمنيوم) على السطح العلوي تجمع وتنقل التيار الكهربائي المتولد من الخلية.

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.

Source: 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: الكفاءة الأعلى تعني أن نفس كمية الطاقة يمكن إنتاجها من عدد أقل من الخلايا. وبالتالي، يمكن خفض التكلفة الإجمالية لأنظمة الطاقة الشمسية، مما يجعل الطاقة الشمسية أكثر تنافسية مع أشكال الطاقة الأخرى، ويزيد من إتاحتها لمجموعة أوسع من المستخدمين.
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.

تقليل تأثير الظل هو المفتاح لتقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية – وهو ما يتم معالجته الآن بهذه الخلايا الكهروضوئية الميكروية ذات الاتصال الخلفي. نتيجةً لذلك، يمكننا توقع خلايا شمسية أكثر كفاءة، أكثر جدوى من حيث التكلفة، وأكثر تنوعًا قريبًا، والتي ستسهم في النهاية في تبني أوسع للطاقة الشمسية كمصدر طاقة مستدام.

لماذا يعتبر التصغير مهمًا؟

إلى جانب تقليل تأثير الظل في الخلايا الكهروضوئية التقليدية، يسمح الاتصال الخلفي بتصغير كبير للغاية. هذا أمر حاسم في مجال الإلكترونيات وتكنولوجيا الطاقة المتجددة لأنه يتيح استخدامًا أكثر كفاءة للمساحة والموارد مع تحسين الأداء.

الجانب المصغر أو “الميكرو” لهذه الخلايا يجعل سمكها تقريبًا ضعف سمك شعر الإنسان. نتيجةً لذلك، يمكن لهذه الخلايا الكهروضوئية الأصغر والأكثر كفاءة التي طورتها جامعة أوتاوا أن تقلل أيضًا من تكاليف الإنتاج بشكل كبير (يُزعم أنها تصل إلى انخفاض ثلاثي).

“هذا الاختراق التكنولوجي يعد بفوائد كبيرة للمجتمع. الخلايا الشمسية الأقل تكلفة والأقوى ستساعد في تسريع التحول الطاقي.”

“البطاريات النووية الخفيفة الوزن ستسهل استكشاف الفضاء، وتصغير الأجهزة سيساهم في نمو إنترنت الأشياء ويؤدي إلى حواسيب وهواتف ذكية أكثر قوة” – Mathieu de Lafontaine

من المثير للاهتمام أن هذا التصغير لا يقتصر فقط على جعل الأجهزة أصغر؛ بل يتعلق بجعلها أذكى وأكثر قابلية للتكيف مع بيئات مختلفة. في سياق عالم متصل بشكل متزايد، حيث يصبح إنترنت الأشياء (IoT) والتقنيات الذكية شائعًا، يمكن للخلايا الكهروضوئية المصغرة تزويد مجموعة من الأجهزة بالطاقة دون قيود مصادر الطاقة التقليدية.

وبالتالي، يمكن لهذا التقدم أن يسهم في نهج أكثر خضرة واستدامة لتوليد الطاقة واستهلاكها، مساهماً مباشرةً في التحول نحو اقتصاد محايد للكربون.

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.

مع تصغير هذه الخلايا، تمتد تطبيقاتها إلى الأجهزة الإلكترونية الأكثر كثافة، مما قد يحول صناعات مثل الاتصالات وإنترنت الأشياء (IoT). كما ذكرنا سابقًا، يمكن للتصغير أن يؤدي إلى حلول شمسية أكثر كفاءة، وضغطًا، وتنوعًا، موسّعًا نطاق تطبيقات تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية.

اللاعبون في الصناعة

في الوقت الحالي، هناك عدد قليل من الشركات البارزة التي تسهم في نمو قطاع الطاقة المستدامة مع تركيز على التطبيقات الشمسية. فيما يلي بعض هذه الشركات، إلى جانب إضافات أخرى جديرة بالذكر.

1.  NextEra Energy Resources

NEE مخطط السعر

NextEra Energy (NEE ) Resources، شركة تابعة لـ NextEra Energy، تحقق خطوات هامة في قطاع الطاقة الشمسية. في الربع الأول من عام 2023، أضافت الشركة حوالي 2,020 ميغاواط من أصول الطاقة المتجددة والتخزين إلى سجل طلباتها، بما في ذلك حوالي 1.3 جيجاواط من الطاقة الشمسية، إلى جانب أصول التخزين والرياح. أدى هذا الإضافة إلى رفع سجل مشاريعها إلى أكثر من 20.4 جيجاواط، مما يُظهر التزامًا قويًا بتوسيع محفظتها من الطاقة المتجددة​​​.

من المشاريع البارزة مشروع Sebree Solar بقدرة 400 ميغاواط في مقاطعة هيندرسون، كنتاكي، الذي تطوره شركة Sebree Solar، وهي شركة تابعة لـ NextEra Energy Resources.

بالإضافة إلى ذلك، تشارك NextEra Energy Resources في مشروع شمسي آخر بقدرة 200 ميغاواط عبر Green River Solar، وهي شركة تابعة أخرى لها. تعكس هذه المبادرات التزام NextEra Energy Resources بتعزيز الطاقة الشمسية كلاعب رئيسي في سوق الطاقة المتجددة.

2.  First Solar

FSLR مخطط السعر

First Solar (FSLR ) ، شركة أمريكية بارزة متخصصة في وحدات الطاقة الشمسية الرقيقة من كادميوم تلوريد، أظهرت تقدمًا كبيرًا في مبادرات الطاقة الشمسية حتى عام 2023. مع إيرادات تبلغ 801 مليون دولار وشحن 2.7 جيجاواط من طلبات وحدات الطاقة الشمسية في ربع واحد، تُظهر الشركة نموًا قويًا وتركيزًا على تكنولوجيا الطاقة الشمسية. لتلبية الطلب المتزايد، توسع First Solar طاقتها الإنتاجية في الولايات المتحدة وعلى الصعيد الدولي، مستهدفة طاقة إجمالية قدرها 25 جيجاواط بحلول عام 2026.

ومن الجدير بالذكر أن First Solar كانت رائدة في إنتاج وحدات رقيقة ذات وجهين، وهو أول إنجاز من نوعه في الصناعة. تتيح هذه التقنية المبتكرة تحقيق مكسب طاقة من الجهتين وزيادة عائد الطاقة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في كفاءة وحدات الطاقة الشمسية.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG مخطط السعر

SolarEdge Technologies (SEDG ) تُعتبر على نطاق واسع رائدة في تكنولوجيا الطاقة الذكية. حققت الشركة تقدمًا كبيرًا في قطاع الطاقة الشمسية عام 2023، مسجلة إيرادات قياسية بلغت 943.9 مليون دولار، منها 908.5 مليون دولار من قطاع الطاقة الشمسية تحديدًا. يُظهر هذا الإنجاز حضور SolarEdge القوي في صناعة الطاقة الشمسية. في الربع الأول من عام 2023 وحده، شحنت SolarEdge 3.6 جيجاواط (AC) من المحولات و221 ميغاواط من البطاريات، مما يبرز مساهمتها الكبيرة في سوق الطاقة الشمسية​.

الإشارات البارزة

الخاتمة

التقدم في تكنولوجيا خلايا الكهروضوئية، خاصة من خلال تطوير خلايا ميكروية ذات اتصال خلفي، يمثل قفزة محتملة كوانتية في الطاقة الشمسية. لا تعزز هذه الابتكار الكفاءة وتقلل تكلفة الطاقة الشمسية فحسب، بل تفتح آفاقًا جديدة لتطبيقها عبر قطاعات متعددة. إن تقليل تأثير الظل والتركيز على التصغير أمران محوريان في دفع الطاقة الشمسية إلى صدارة مصادر الطاقة المتجددة.

مع تبنينا لهذه الخطوات التكنولوجية، نقترب أكثر من مستقبل يصبح فيه انتشار الطاقة المستدامة والنظيفة ليس مجرد احتمال بل واقعًا.