مناقشة مختصرة عن أنواع الخلايا الشمسية

كانت الطاقة الشمسية في يوم من الأيام حكراً على المركبات الفضائية المتقدمة وبعض الأجهزة الفاخرة، لكن الأمر لم يعد كذلك. على مدى العقد الماضي، تحولت الطاقة الشمسية من مصدر طاقة متخصص إلى ركيزة أساسية في مشهد الطاقة العالمي.

تتعرض الأرض بشكل مستمر لحوالي 173.000 تيراواط من الإشعاع الشمسي، وهو ما يزيد عن عشرة أضعاف متوسط ​​الطلب العالمي على الكهرباء.

[1] وهذا يعني أن الطاقة الشمسية لديها القدرة على تلبية جميع احتياجاتنا من الطاقة.

وفي النصف الأول من عام 2023، شكل توليد الطاقة الشمسية 5.77% من إجمالي توليد الطاقة في الولايات المتحدة، ارتفاعًا من 4.95% في عام 2022.

[2] على الرغم من أن الوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي والفحم بشكل أساسي) سيشكل ما يصل إلى 60.4% من توليد الطاقة في الولايات المتحدة في عام 2022،

[3] لكن التأثير المتزايد للطاقة الشمسية والتطور السريع لتكنولوجيا الطاقة الشمسية يستحق الاهتمام.

 

أنواع الخلايا الشمسية

 

توجد حاليًا ثلاث فئات رئيسية من الخلايا الشمسية (المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية (PV)) في السوق: التقنيات البلورية والأغشية الرقيقة والناشئة. تتمتع هذه الأنواع الثلاثة من البطاريات بمزاياها الخاصة من حيث الكفاءة والتكلفة والعمر الافتراضي.

 

01 كريستال

معظم الألواح الشمسية الموجودة على أسطح المنازل مصنوعة من السيليكون أحادي البلورية عالي النقاء. وقد حقق هذا النوع من البطاريات كفاءة تزيد عن 26% وعمر خدمة يزيد عن 30 عامًا في السنوات الأخيرة.

[4] تبلغ الكفاءة الحالية للألواح الشمسية المنزلية حوالي 22%.

 

يكلف السيليكون متعدد البلورات أقل من السيليكون أحادي البلورة، ولكنه أقل كفاءة وله عمر أقصر. الكفاءة المنخفضة تعني الحاجة إلى المزيد من الألواح ومساحة أكبر.

 

الخلايا الشمسية تعتمد على تقنية زرنيخيد الغاليوم متعدد الوصلات (GaAs) وهي أكثر كفاءة من الخلايا الشمسية التقليدية. تحتوي هذه الخلايا على بنية متعددة الطبقات، وتستخدم كل طبقة مادة مختلفة، مثل فوسفيد الغاليوم الإنديوم (GaInP)، وزرنيخيد الغاليوم الإنديوم (InGaAs)، والجرمانيوم (Ge)، لامتصاص أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس. على الرغم من أنه من المتوقع أن تحقق هذه الخلايا متعددة الوصلات كفاءات عالية، إلا أنها لا تزال تعاني من ارتفاع تكاليف التصنيع والبحث والتطوير غير الناضج، مما يحد من جدواها التجارية وتطبيقاتها العملية.

 

02 فيلم

التيار الرئيسي للمنتجات الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة في السوق العالمية هو الوحدات الكهروضوئية تيلورايد الكادميوم (CdTe). وقد تم تركيب الملايين من هذه الوحدات في جميع أنحاء العالم، بقدرة توليد طاقة تصل إلى أكثر من 30 جيجاوات. وهي تستخدم بشكل رئيسي لتوليد الطاقة على نطاق المرافق في الولايات المتحدة. مصنع.

 

في هذه التقنية ذات الأغشية الرقيقة، تحتوي وحدة الطاقة الشمسية التي تبلغ مساحتها مترًا مربعًا واحدًا على كمية أقل من الكادميوم مقارنة ببطارية النيكل والكادميوم (Ni-Cd) بحجم AAA. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط الكادميوم الموجود في الوحدات الشمسية بالتيلوريوم، وهو غير قابل للذوبان في الماء ويظل مستقرًا عند درجات حرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية. تعمل هذه العوامل على تخفيف المخاطر السامة لاستخدام تيلوريد الكادميوم في بطاريات الأغشية الرقيقة.

 

يبلغ محتوى التيلوريوم في القشرة الأرضية 0.001 جزء في المليون فقط. مثلما يعتبر البلاتين عنصرًا نادرًا، فإن ندرة التيلوريوم يمكن أن تؤثر بشكل كبير على تكلفة وحدة تيلورايد الكادميوم. ومع ذلك، من الممكن التخفيف من هذه المشكلة من خلال ممارسات إعادة التدوير.

يمكن أن تصل كفاءة وحدات تيلوريد الكادميوم إلى 18.6%، ويمكن أن تتجاوز كفاءة البطارية في بيئة المختبر 22%. [5] يمكن أن يؤدي استخدام المنشطات بالزرنيخ لاستبدال المنشطات بالنحاس، والتي تم استخدامها لفترة طويلة، إلى تحسين عمر الوحدة بشكل كبير والوصول إلى مستوى مماثل للبطاريات الكريستالية.

 

03 التقنيات الناشئة

 

إن التقنيات الكهروضوئية الناشئة التي تستخدم أغشية رقيقة جدًا (أقل من 1 ميكرون) وتقنيات الترسيب المباشر سوف تقلل من تكاليف الإنتاج وتوفر أشباه موصلات عالية الجودة للخلايا الشمسية. ومن المتوقع أن تصبح هذه التقنيات منافسة للمواد القائمة مثل السيليكون وتيلوريد الكادميوم وزرنيخيد الغاليوم.

 

[6]توجد ثلاث تقنيات معروفة للأغشية الرقيقة في هذا المجال: كبريتيد القصدير والنحاس والزنك (Cu2ZnSnS4 أو CZTS)، وفوسفيد الزنك (Zn3P2)، وأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNT). في بيئة المختبر، وصلت الخلايا الشمسية سيلينيد الإنديوم الغاليوم النحاسية (CIGS) إلى ذروة كفاءة مذهلة تبلغ 22.4%. ومع ذلك، فإن تكرار مستويات الكفاءة هذه على نطاق تجاري لا يزال يمثل تحديًا.

[7] تعتبر خلايا الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت هاليد الرصاص إحدى تقنيات الطاقة الشمسية الناشئة الجذابة. البيروفسكايت هو نوع من المواد ذات التركيب البلوري النموذجي للصيغة الكيميائية ABX3. وهو معدن أصفر أو بني أو أسود مكونه الرئيسي هو تيتانات الكالسيوم (CaTiO3). حققت الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من مادة البيروفسكايت القائمة على السيليكون على نطاق تجاري والتي تنتجها شركة Oxford PV البريطانية كفاءة قياسية بلغت 28.6% وستدخل حيز الإنتاج هذا العام.

[8] في غضون سنوات قليلة فقط، حققت خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءات مماثلة لتلك الموجودة في خلايا الأغشية الرقيقة من تيلورايد الكادميوم. في الأبحاث المبكرة وتطوير بطاريات البيروفسكايت، كان العمر الافتراضي مشكلة كبيرة، وكان قصيرًا جدًا لدرجة أنه لا يمكن حسابه إلا بالأشهر.

اليوم، تتمتع خلايا البيروفسكايت بعمر خدمة يصل إلى 25 عامًا أو أكثر. حاليًا، تتمثل مزايا خلايا البيروفسكايت الشمسية في كفاءة التحويل العالية (أكثر من 25٪)، وانخفاض تكاليف الإنتاج ودرجات الحرارة المنخفضة المطلوبة لعملية الإنتاج.

 

بناء الألواح الشمسية المتكاملة

 

تم تصميم بعض الخلايا الشمسية لالتقاط جزء فقط من الطيف الشمسي مع السماح للضوء المرئي بالمرور من خلاله. تُسمى هذه الخلايا الشفافة بالخلايا الشمسية الحساسة للصبغ (DSC)، وقد وُلدت في سويسرا عام 1991. وقد أدت نتائج البحث والتطوير الجديدة في السنوات الأخيرة إلى تحسين كفاءة الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ، وقد لا يمر وقت طويل قبل طرح هذه الألواح الشمسية في السوق.

 

تقوم بعض الشركات بإدخال جسيمات نانوية غير عضوية في طبقات من الزجاج من البولي كربونات. تقوم الجسيمات النانوية في هذه التقنية بنقل أجزاء معينة من الطيف إلى حافة الزجاج، مما يسمح لمعظم الطيف بالمرور. يتم بعد ذلك تسخير الضوء المتمركز على حافة الزجاج بواسطة الخلايا الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، تتم حاليًا دراسة تقنية تطبيق مواد البيروفسكايت الرقيقة على النوافذ الشمسية الشفافة وبناء الجدران الخارجية.

 

المواد الخام اللازمة للطاقة الشمسية

ولزيادة توليد الطاقة الشمسية، سيزداد الطلب على تعدين المواد الخام المهمة مثل السيليكون والفضة والنحاس والألومنيوم. تنص وزارة الطاقة الأمريكية على أن ما يقرب من 12% من السيليكون المعدني (MGS) في العالم تتم معالجته إلى بولي سيليكون للألواح الشمسية.

 

تعد الصين لاعبًا رئيسيًا في هذا المجال، حيث تنتج ما يقرب من 70% من MGS في العالم و77% من إمدادات البولي سيليكون في عام 2020.

 

تتطلب عملية تحويل السيليكون إلى بولي سيليكون درجات حرارة عالية جدًا. وفي الصين، تأتي الطاقة اللازمة لهذه العمليات بشكل رئيسي من الفحم. تتمتع شينجيانغ بموارد وفيرة من الفحم وتكاليف كهرباء منخفضة، ويمثل إنتاجها من البولي سيليكون 45% من الإنتاج العالمي.

 

[12] يستهلك إنتاج الألواح الشمسية ما يقارب 10% من الفضة في العالم. يحدث تعدين الفضة في المقام الأول في المكسيك والصين وبيرو وتشيلي وأستراليا وروسيا وبولندا ويمكن أن يؤدي إلى مشاكل مثل التلوث بالمعادن الثقيلة والنقل القسري للمجتمعات المحلية.

 

كما يشكل تعدين النحاس والألمنيوم تحديات تتعلق باستخدام الأراضي. وتشير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية إلى أن تشيلي تمثل 27% من إنتاج النحاس العالمي، تليها البيرو (10%) والصين (8%) وجمهورية الكونغو الديمقراطية (8%). وتعتقد وكالة الطاقة الدولية (IEA) أنه إذا وصل الاستخدام العالمي للطاقة المتجددة إلى 100٪ بحلول عام 2050، فإن الطلب على النحاس من مشاريع الطاقة الشمسية سيتضاعف ثلاث مرات تقريبًا.

[13]الخلاصة

 

هل ستصبح الطاقة الشمسية يومًا ما مصدر الطاقة الرئيسي لدينا؟ أسعار الطاقة الشمسية آخذة في الانخفاض والكفاءة آخذة في التحسن. وفي هذه الأثناء، هناك العديد من طرق تكنولوجيا الطاقة الشمسية المختلفة للاختيار من بينها. متى سنحدد تقنية أو اثنتين ونجعلها تعمل فعليًا؟ كيفية دمج الطاقة الشمسية في الشبكة؟

 

إن تطور الطاقة الشمسية من التخصص إلى الاتجاه السائد يسلط الضوء على قدرتها على تلبية احتياجاتنا من الطاقة وتجاوزها. في حين تهيمن الخلايا الشمسية البلورية حاليًا على السوق، فإن التقدم في تكنولوجيا الأغشية الرقيقة والتقنيات الناشئة مثل تيلوريد الكادميوم والبيروفسكايت يمهد الطريق لتطبيقات شمسية أكثر كفاءة وتكاملاً. لا تزال الطاقة الشمسية تواجه العديد من التحديات، مثل التأثير البيئي لتعدين المواد الخام والاختناقات في الإنتاج، ولكنها في نهاية المطاف صناعة سريعة النمو ومبتكرة وواعدة.

 

ومع التوازن الصحيح بين التقدم التكنولوجي والممارسات المستدامة، فإن نمو وتطور الطاقة الشمسية سوف يمهد الطريق لمستقبل طاقة أنظف وأكثر وفرة. ولهذا السبب، سيُظهر نموًا كبيرًا في مزيج الطاقة الأمريكي ومن المتوقع أن يصبح حلاً عالميًا مستدامًا.