مناقشة موجزة عن أنواع الخلايا الشمسية

كانت الطاقة الشمسية في الماضي حكرًا على المركبات الفضائية المتطورة وبعض الأجهزة المتطورة، لكن الأمر لم يعد كذلك. فعلى مدار العقد الماضي، تحولت الطاقة الشمسية من مصدر طاقة محدود إلى ركيزة أساسية في مشهد الطاقة العالمي.

تتعرض الأرض بشكل مستمر لحوالي 173000 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 (وخاصة الغاز الطبيعي والفحم) 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

 

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

 

01 كريستال

تُصنع معظم الألواح الشمسية المُثبتة على أسطح المنازل من السيليكون أحادي البلورة عالي النقاء. وقد حقق هذا النوع من البطاريات كفاءةً تزيد عن 26% وعمرًا افتراضيًا يزيد عن 30 عامًا في السنوات الأخيرة.

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

 

السيليكون متعدد البلورات أقل تكلفة من السيليكون أحادي البلورة، ولكنه أقل كفاءة وعمرًا أقصر. انخفاض الكفاءة يعني الحاجة إلى ألواح أكثر ومساحة أكبر.

 

الخلايا الشمسيةالخلايا الشمسية القائمة على تقنية زرنيخيد الغاليوم متعدد الوصلات (GaAs) 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. على الرغم من أنه من المتوقع أن تحقق هذه الخلايا متعددة الوصلات كفاءات عالية، إلا أنها لا تزال تعاني من ارتفاع تكاليف التصنيع وعدم اكتمال البحث والتطوير، مما يحد من جدواها التجارية وتطبيقاتها العملية.

 

فيلم 02

تُعدّ وحدات تيلورايد الكادميوم (CdTe) الكهروضوئية المنتج الرئيسي لمنتجات الأغشية الرقيقة في السوق العالمية. وقد تم تركيب ملايين هذه الوحدات حول العالم، بطاقة إنتاجية قصوى تتجاوز 30 جيجاواط. وتُستخدم هذه الوحدات بشكل رئيسي في مصانع توليد الطاقة على نطاق المرافق في الولايات المتحدة.

 

في تقنية الأغشية الرقيقة هذه، 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 عنصر غير قابل للذوبان في الماء ويبقى ثابتًا عند درجات حرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية. تُخفف هذه العوامل من المخاطر السامة لاستخدام تيلورايد الكادميوم في بطاريات الأغشية الرقيقة.

 

تبلغ نسبة التيلوريوم في قشرة الأرض 0.001 جزء في المليون فقط. وكما هو الحال مع ندرة البلاتين، فإن ندرة التيلوريوم قد تؤثر بشكل كبير على تكلفة وحدة تيلورايد الكادميوم. ومع ذلك، من الممكن حل هذه المشكلة من خلال 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 بدلاً من المنشطات النحاسية، والتي تم استخدامها لفترة طويلة، يمكن أن يحسن بشكل كبير من عمر الوحدة ويصل إلى مستوى مماثل لبطاريات الكريستال.

 

03التقنيات الناشئة

 

ستؤدي تقنيات الطاقة الكهروضوئية الناشئة، التي تستخدم أغشية رقيقة للغاية (أقل من ميكرون واحد) وتقنيات الترسيب المباشر، إلى خفض تكاليف الإنتاج وتوفير أشباه موصلات عالية الجودة للخلايا الشمسية. ومن المتوقع أن تُصبح هذه التقنيات منافسةً للمواد التقليدية مثل السيليكون، وتيلوريد الكادميوم، وزرنيخيد الغاليوم.

 

[6]توجد 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 هذه المستويات من الكفاءة على نطاق تجاري يمثل تحديًا.

[7] تُعدّ خلايا البيروفسكايت هاليد الرصاص الرقيقة تقنيةً ناشئةً جذابةً للطاقة الشمسية. البيروفسكايت مادةٌ ذات بنية بلورية نموذجية بالصيغة الكيميائية ABX3. وهو معدنٌ أصفر أو بني أو أسود، ومكونه الرئيسي هو تيتانات الكالسيوم (CaTiO3). حققت خلايا البيروفسكايت الشمسية الترادفية المصنوعة من السيليكون، والمُصنّعة على نطاق تجاري، والتي تُنتجها شركة أكسفورد بي في البريطانية، كفاءةً قياسيةً بلغت 28.6%، وستدخل مرحلة الإنتاج هذا العام.

[8] في غضون سنوات قليلة، حققت خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءةً تُضاهي كفاءة خلايا تيلورايد الكادميوم الرقيقة الحالية. في المراحل الأولى من البحث والتطوير لبطاريات البيروفسكايت، كان عمر البطارية قصيرًا جدًا لدرجة أنه لم يكن من الممكن حسابه إلا بالأشهر.

تتمتع خلايا البيروفسكايت حاليًا بعمر افتراضي يصل إلى 25 عامًا أو أكثر. ومن مزاياها الحالية كفاءة تحويل عالية (أكثر من 25%)، وانخفاض تكاليف الإنتاج، وانخفاض درجات الحرارة اللازمة لعملية الإنتاج.

 

بناء الألواح الشمسية المتكاملة

 

صُممت بعض الخلايا الشمسية لالتقاط جزء فقط من الطيف الشمسي مع السماح بمرور الضوء المرئي. تُسمى هذه الخلايا الشفافة الخلايا الشمسية المصبوغة (DSC)، وقد وُلدت في سويسرا عام ١٩٩١. وقد حسّنت نتائج البحث والتطوير الجديدة في السنوات الأخيرة كفاءة الخلايا الشمسية المصبوغة، وقد لا يطول انتظار طرح هذه الألواح الشمسية في السوق.

 

تقوم بعض الشركات بحقن جزيئات نانوية غير عضوية في طبقات البولي كربونات الزجاجية. تنقل هذه الجزيئات النانوية أجزاءً محددة من الطيف إلى حافة الزجاج، مما يسمح بمرور معظمه. ثم تُسخّر الخلايا الشمسية الضوء المُركّز على حافة الزجاج. إضافةً إلى ذلك، تُدرس حاليًا تقنية تطبيق مواد الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت على النوافذ الشمسية الشفافة والجدران الخارجية للمباني.

 

المواد الخام اللازمة للطاقة الشمسية

لزيادة إنتاج الطاقة الشمسية، سيزداد الطلب على استخراج مواد خام مهمة، مثل السيليكون والفضة والنحاس والألمنيوم. وتشير وزارة الطاقة الأمريكية إلى أن حوالي 12% من السيليكون المعدني (MGS) في العالم يُعالَج إلى بولي سيليكون يُستخدم في تصنيع الألواح الشمسية.

 

وتعد الصين لاعباً رئيسياً في هذا المجال، حيث تنتج حوالي 70% من إجمالي إمدادات العالم من السيليكون المتعدد الأمونيوم و77% من إمداداته من السيليكون المتعدد الأمونيوم في عام 2020.

 

تتطلب عملية تحويل السيليكون إلى بولي سيليكون درجات حرارة عالية جدًا. في الصين، تُستمد الطاقة اللازمة لهذه العمليات بشكل رئيسي من الفحم. تتميز شينجيانغ بوفرة موارد الفحم وانخفاض تكاليف الكهرباء، ويمثل إنتاجها من البولي سيليكون 45% من الإنتاج العالمي.

 

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

 

يُشكّل تعدين النحاس والألمنيوم أيضًا تحدياتٍ تتعلق باستخدام الأراضي. وتشير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية إلى أن تشيلي تُمثّل 27% من إنتاج النحاس العالمي، تليها بيرو (10%)، والصين (8%)، وجمهورية الكونغو الديمقراطية (8%). وتعتقد وكالة الطاقة الدولية أنه إذا بلغ استخدام الطاقة المتجددة عالميًا 100% بحلول عام 2050، فإن الطلب على النحاس من مشاريع الطاقة الشمسية سيتضاعف ثلاث مرات تقريبًا.

[13]الخلاصة

 

هل ستصبح الطاقة الشمسية مصدرنا الرئيسي للطاقة يومًا ما؟ سعر الطاقة الشمسية آخذ في الانخفاض، وكفاءتها آخذة في التحسن. في غضون ذلك، تتوفر العديد من تقنيات الطاقة الشمسية للاختيار من بينها. متى سنحدد تقنية أو اثنتين ونجعلهما فعالتين؟ كيف ندمج الطاقة الشمسية في الشبكة؟

 

يُبرز تطور الطاقة الشمسية من تخصص إلى آخر قدرتها على تلبية احتياجاتنا من الطاقة بل وتجاوزها. وبينما تُهيمن الخلايا الشمسية البلورية حاليًا على السوق، فإن التطورات في تكنولوجيا الأغشية الرقيقة والتقنيات الناشئة، مثل تيلورايد الكادميوم والبيروفسكايت، تُمهد الطريق لتطبيقات شمسية أكثر كفاءة وتكاملًا. لا تزال الطاقة الشمسية تواجه العديد من التحديات، مثل التأثير البيئي لتعدين المواد الخام واختناقات الإنتاج، ولكنها في النهاية صناعة سريعة النمو ومبتكرة وواعدة.

 

بفضل التوازن الصحيح بين التقدم التكنولوجي والممارسات المستدامة، سيمهد نمو الطاقة الشمسية وتطورها الطريق لمستقبل طاقة أنظف وأكثر وفرة. ونتيجةً لذلك، سيشهد قطاع الطاقة الشمسية نموًا ملحوظًا في مزيج الطاقة الأمريكي، ومن المتوقع أن يصبح حلاً مستدامًا عالميًا.