مناقشة مختصرة عن أنواع الخلايا الشمسية

كانت الطاقة الشمسية في الماضي حكراً على المركبات الفضائية المتقدمة وبعض الأدوات المتطورة، ولكن الأمر لم يعد كذلك الآن. فخلال العقد الماضي، تحولت الطاقة الشمسية من مصدر طاقة محدود إلى ركيزة أساسية في المشهد العالمي للطاقة.

تتعرض الأرض بشكل مستمر لحوالي 173,000 تيراوات 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.

في النصف الأول من عام 2023، شكلت 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) سوف يشكل 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 يستحقان الاهتمام.

 

أنواع الخلايا الشمسية

 

يوجد حاليًا ثلاث فئات رئيسية من الخلايا الشمسية (المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية) في السوق: الخلايا البلورية، والخلايا الرقيقة، والخلايا الناشئة. تتمتع هذه الأنواع الثلاثة من البطاريات بمزاياها الخاصة من حيث الكفاءة والتكلفة وعمر الخدمة.

 

01 كريستال

تُصنع أغلب الألواح الشمسية التي تُركب على أسطح المنازل من السيليكون أحادي البلورة عالي النقاء. وقد حقق هذا النوع من البطاريات كفاءة تزيد عن 26% وعمر خدمة يزيد عن 30 عامًا في السنوات الأخيرة.

[4] تبلغ كفاءة الألواح الشمسية المنزلية الحالية حوالي 22٪.

 

تكلف السليكون متعدد البلورات أقل من السليكون أحادي البلورة، لكنه أقل كفاءة وعمره أقصر. وتعني الكفاءة المنخفضة الحاجة إلى المزيد من الألواح والمزيد من المساحة.

 

الخلايا الشمسيةتعتمد الخلايا الشمسية على تقنية زرنيخيد الغاليوم متعدد الوصلات (GaAs) وهي أكثر كفاءة من الخلايا الشمسية التقليدية. تتميز هذه الخلايا ببنية 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. وعلى الرغم من أنه من المتوقع أن تحقق هذه الخلايا متعددة الوصلات كفاءة عالية، إلا أنها لا تزال تعاني من تكاليف التصنيع المرتفعة والبحث والتطوير غير الناضج، مما يحد من جدواها التجارية وتطبيقاتها العملية.

 

فيلم 02

إن التيار الرئيسي لمنتجات الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة في السوق العالمية هو وحدات الخلايا الكهروضوئية التي تحتوي على تيلورايد الكادميوم (CdTe). وقد تم تركيب ملايين من هذه الوحدات في جميع أنحاء العالم، مع قدرة ذروة لتوليد الطاقة تزيد عن 30 جيجاوات. وهي تستخدم بشكل أساسي لتوليد الطاقة على نطاق المرافق في الولايات المتحدة.

 

في هذه التقنية ذات الأغشية الرقيقة، تحتوي وحدة شمسية بمساحة متر مربع واحد على كمية من الكادميوم أقل من بطارية نيكل كادميوم (Ni-Cd) بحجم AAA. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط الكادميوم في وحدات الطاقة 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 تيلورايد الكادميوم في البطاريات ذات الأغشية الرقيقة.

 

إن محتوى التيلوريوم في قشرة الأرض لا يتجاوز 0.001 جزء في المليون. وكما أن البلاتين عنصر نادر، فإن ندرة التيلوريوم قد تؤثر بشكل كبير على تكلفة وحدة تيلورايد الكادميوم. ومع ذلك، فمن الممكن التخفيف من هذه المشكلة من خلال ممارسات إعادة التدوير.

يمكن أن تصل كفاءة وحدات تيلورايد الكادميوم إلى 18.6%، ويمكن أن تتجاوز كفاءة البطارية في بيئة المختبر 22%. [5] إن استخدام المنشطات الزرنيخية لاستبدال المنشطات النحاسية، والتي تم استخدامها لفترة طويلة، يمكن أن يحسن بشكل كبير من عمر الوحدة ويصل إلى مستوى مماثل لبطاريات الكريستال.

 

03التقنيات الناشئة

 

إن التقنيات الكهروضوئية الناشئة التي تستخدم الأغشية الرقيقة للغاية (أقل من ميكرون واحد) وتقنيات الترسيب المباشر سوف تعمل على خفض تكاليف الإنتاج وتوفير أشباه الموصلات عالية الجودة للخلايا الشمسية. ومن المتوقع أن تصبح هذه التقنيات قادرة على المنافسة مع المواد الراسخة مثل السيليكون وتيلوريد الكادميوم وزرنيخيد الجاليوم.

 

[6] هناك ثلاث تقنيات معروفة للأغشية الرقيقة في هذا المجال: كبريتيد النحاس والزنك والقصدير (Cu2ZnSnS4 أو CZTS)، وفوسفيد الزنك (Zn3P2)، وأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNT). في بيئة معملية، وصلت الخلايا الشمسية المصنوعة من سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS) إلى ذروة كفاءة مذهلة بلغت 22.4٪. ومع ذلك، لا يزال تكرار مثل هذه المستويات من الكفاءة على نطاق تجاري يشكل تحديًا.

[7]تُعد خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من البيروفسكايت هاليد الرصاص تقنية شمسية ناشئة جذابة. البيروفسكايت هو نوع من المواد ذات البنية البلورية النموذجية للصيغة الكيميائية ABX3. وهو معدن أصفر أو بني أو أسود ومكونه الرئيسي هو تيتانات الكالسيوم (CaTiO3). حققت الخلايا الشمسية المترادفة المصنوعة من البيروفسكايت القائمة على السيليكون على نطاق تجاري والتي تنتجها شركة Oxford PV البريطانية كفاءة قياسية بلغت 28.6% وستدخل الإنتاج هذا العام.

[8]في غضون سنوات قليلة، حققت خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءات مماثلة لتلك الموجودة في خلايا الأغشية الرقيقة من تيلورايد الكادميوم. في الأبحاث المبكرة وتطوير بطاريات البيروفسكايت، كان عمر البطارية مشكلة كبيرة، حيث كان قصيرًا جدًا لدرجة أنه لم يكن من الممكن 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٪) وتكاليف الإنتاج المنخفضة 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. تسمى هذه الخلايا الشفافة بالخلايا الشمسية الحساسة للصبغة (DSC) وولدت في سويسرا عام 1991. أدت نتائج البحث والتطوير الجديدة في السنوات الأخيرة إلى تحسين كفاءة الخلايا الحساسة للصبغة، وقد لا يمر وقت طويل قبل أن تصبح هذه الألواح الشمسية متاحة في السوق.

 

وتقوم بعض الشركات بحقن جزيئات نانوية غير عضوية في طبقات البولي كربونات من الزجاج. وتعمل الجزيئات النانوية في هذه التقنية على نقل أجزاء معينة من الطيف إلى حافة الزجاج، مما يسمح بمرور معظم الطيف. ثم يتم تسخير الضوء المركز على حافة الزجاج بواسطة الخلايا الشمسية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم حاليًا دراسة تقنية تطبيق مواد الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت على النوافذ الشمسية الشفافة والجدران الخارجية للمباني.

 

المواد الخام اللازمة للطاقة الشمسية

ولزيادة توليد الطاقة الشمسية، سيزداد الطلب على استخراج المواد الخام المهمة مثل السيليكون والفضة والنحاس والألمنيوم. وتؤكد وزارة الطاقة الأميركية أن نحو 12% من السيليكون المعدني في العالم يتم معالجته وتحويله إلى بولي سيليكون للألواح الشمسية.

 

وتعد الصين لاعباً رئيسياً في هذا المجال، حيث تنتج حوالي 70% من إجمالي الغاز الطبيعي المُستَخدم في العالم و77% من إمداداتها من البولي سيليكون في عام 2020.

 

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

 

[12] يستهلك إنتاج الألواح الشمسية ما يقرب من 10% من الفضة في العالم. ويحدث تعدين الفضة بشكل أساسي في المكسيك والصين وبيرو وتشيلي وأستراليا وروسيا وبولندا، وقد يؤدي إلى مشاكل مثل التلوث بالمعادن الثقيلة والنقل القسري للمجتمعات المحلية.

 

كما يفرض تعدين النحاس والألمنيوم تحديات على استخدام الأراضي. وتشير هيئة المسح الجيولوجي الأميركية إلى أن تشيلي تمثل 27% من إنتاج النحاس العالمي، تليها بيرو (10%)، والصين (8%)، وجمهورية الكونغو الديمقراطية (8%). وتعتقد وكالة الطاقة الدولية أنه إذا بلغ استخدام الطاقة المتجددة العالمية 100% بحلول عام 2050، فإن الطلب على النحاس من مشاريع الطاقة الشمسية سوف يتضاعف ثلاث مرات تقريبا.

[13]الخلاصة

 

هل ستصبح الطاقة الشمسية ذات يوم المصدر الرئيسي للطاقة؟ إن أسعار الطاقة الشمسية آخذة في الانخفاض وكفاءتها تتحسن. وفي الوقت نفسه، هناك العديد من الطرق المختلفة لتكنولوجيا الطاقة الشمسية للاختيار من بينها. متى سنتمكن من تحديد تقنية أو تقنيتين ونجعلهما فعالتين بالفعل؟ كيف ندمج الطاقة الشمسية في الشبكة؟

 

إن تطور الطاقة الشمسية من التخصص إلى التيار الرئيسي يسلط الضوء على قدرتها على تلبية وتجاوز احتياجاتنا من الطاقة. وفي 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 النهاية صناعة سريعة النمو ومبتكرة وواعدة.

 

بفضل التوازن الصحيح بين التقدم التكنولوجي والممارسات المستدامة، فإن نمو وتطور الطاقة الشمسية سوف يمهد الطريق لمستقبل طاقة أكثر نظافة ووفرة. ولهذا السبب، سوف تشهد الطاقة الشمسية نموًا كبيرًا في مزيج الطاقة في الولايات المتحدة، ومن المتوقع أن تصبح حلاً مستدامًا عالميًا.