في عالم يسعى جاهداً نحو مصادر طاقة نظيفة ومستدامة، تبرز الطاقة الشمسية كبطل حقيقي. فمن خلال تقنية الخلايا الشمسية، نستطيع تسخير قوة الشمس وتحويلها إلى كهرباء تغذي حياتنا اليومية. لكن عالم الخلايا الشمسية ليس متجانساً، بل يضم تنوعاً كبيراً في المواد والتقنيات، كل منها يحمل مميزات وعيوباً تجعله مناسباً لتطبيقات محددة.
ما هي الخلية الشمسية “الكهروضوئية”:
تتكون الخلية الكهروضوئية من مادة شبه موصلة؛ “شبه موصلة” تعني أنه يمكنها توصيل الكهرباء بشكل أفضل من العازل ولكنها ليست موصلًا جيدًا مثل المعدن. هناك العديد من مواد أشباه الموصلات المختلفة المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية. عندما تتعرض أشباه الموصلات للضوء، فإنها تمتص طاقة الضوء وتنقلها إلى جسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. تسمح هذه الطاقة الإضافية للإلكترونات بالتدفق عبر المادة كتيار كهربائي. يتم استخلاص هذا التيار من خلال ملامسات معدنية موصلة – الخطوط الشبيهة بالشبكة الموجودة على الخلايا الشمسية – ويمكن بعد ذلك استخدامه لتزويد الشبكة الكهربائية بالطاقة. كفاءة الخلية الكهروضوئية هي ببساطة مقدار الطاقة الكهربائية الخارجة من الخلية مقارنة بالطاقة الصادرة من الضوء الساطع عليها، مما يدل على مدى فعالية الخلية في تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. تعتمد كمية الكهرباء المنتجة من الخلايا الكهروضوئية على خصائص (مثل الكثافة والأطوال الموجية) للضوء المتاح وسمات الأداء المتعددة للخلية.
تعرف على المواد الأكثر استخدامًا لتصنيع الخلايا الكهروضوئية:
السيليكون:
يعد السيليكون، إلى حد ما المادة شبه الموصلة الأكثر شيوعًا في الخلايا الشمسية، حيث يمثل حوالي 95٪ من وحدات الخلايا الشمسية المباعة اليوم
وهو أيضاً واحد من أكثر المواد وفرة على الأرض وأكثر أشباه الموصلات استخداماً في تصنيع الرقائق الالكترونية.
تتكون خلايا السيليكون البلورية من ذرات السيليكون المتصلة ببعضها البعض لتشكل شبكة بلورية. توفر هذه الشبكة بنية منظمة تجعل تحويل الضوء إلى كهرباء أكثر كفاءة.
توفر الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون حاليًا مزيجًا من الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل. ومن المتوقع أن تستمر الوحدات لمدة 25 عامًا أو أكثر، ولا تزال تنتج أكثر من 80% من كفاءتها الأصلية بعد هذا الوقت.
الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة:
يتم تصنيع الخلية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة عن طريق ترسيب طبقة رقيقة أو أكثر من المواد الكهروضوئية على مادة داعمة مثل الزجاج أو البلاستيك أو المعدن. هناك نوعان رئيسيان من أشباه الموصلات الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة في السوق اليوم: تيلورايد الكادميوم (CdTe) وثنائي سيلينيد الإنديوم الغاليوم النحاسي (CIGS).
يعد CdTe ثاني أكثر المواد الكهروضوئية شيوعًا بعد السيليكون، ويمكن تصنيع خلايا CdTe باستخدام عمليات التصنيع منخفضة التكلفة. وفي حين أن هذا يجعلها بديلاً فعالاً من حيث التكلفة، إلا أن كفاءتها لا تزال ليست عالية مثل السيليكون.
خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية:
خلايا البيروفسكايت الشمسية هي نوع من الخلايا ذات الأغشية الرقيقة وتم تسميتها على اسم بنيتها البلورية المميزة. يتم بناء خلايا البيروفسكايت باستخدام طبقات من المواد المطبوعة، أو المطلية، أو المودعة بالفراغ على طبقة دعم أساسية، تُعرف باسم الركيزة. عادةً ما تكون سهلة التجميع ويمكن أن تصل إلى كفاءات مشابهة للسيليكون البلوري
تحسنت كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل أسرع من أي مادة كهروضوئية أخرى، من 3٪ في عام 2009 إلى أكثر من 25٪ في عام 2020. ولكي تكون خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية قابلة للاستخدام التجاري، يجب أن تصبح مستقرة بما يكفي للاستخدام لمدة 20 عاما، لذلك يعمل الباحثون على جعلها أكثر متانة وأقل تكلفة.
الخلايا الكهروضوئية العضوية:
تتكون الخلايا الكهروضوئية العضوية، أو OPV، من مركبات غنية بالكربون (عضوية) ويمكن تصميمها لتعزيز وظيفة معينة للخلية الكهروضوئية، مثل فجوة النطاق أو الشفافية أو اللون. تبلغ كفاءة خلايا OPV حاليًا حوالي نصف كفاءة خلايا السيليكون البلورية ولها عمر تشغيلي أقصر، ولكن قد يكون تصنيعها بكميات كبيرة أقل تكلفة. ويمكن أيضًا تطبيقها على مجموعة متنوعة من المواد الداعمة، مثل البلاستيك المرن
خلايا النقاط الكمومية:
تقوم الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية بتوصيل الكهرباء من خلال جزيئات صغيرة من مواد شبه موصلة مختلفة يبلغ عرضها بضعة نانومترات فقط، تسمى النقاط الكمومية. توفر النقاط الكمومية طريقة جديدة لمعالجة المواد شبه الموصلة، ولكن من الصعب إنشاء اتصال كهربائي بينها، لذا فهي ليست فعالة حاليًا. ومع ذلك، فمن السهل تحويلها إلى خلايا شمسية. يمكن ترسيبها على الركيزة باستخدام طريقة الطبقة الدوارة، أو الرش، أو طابعات اللفة مثل تلك المستخدمة في طباعة الصحف.
تأتي النقاط الكمومية بأحجام مختلفة، كما أن فجوة نطاقها قابلة للتخصيص، مما يمكنها من جمع الضوء الذي يصعب التقاطه وإقرانه مع أشباه الموصلات الأخرى، مثل البيروفسكايت، لتحسين أداء الخلية الشمسية متعددة الوصلات
الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات:
هناك طريقة أخرى لتحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية وهي وضع طبقات متعددة من أشباه الموصلات لصنع خلايا شمسية متعددة الوصلات. هذه الخلايا هي في الأساس عبارة عن أكوام من مواد شبه موصلة مختلفة، على عكس الخلايا أحادية الوصلة، التي تحتوي على شبه موصل واحد فقط. تحتوي كل طبقة على فجوة نطاق مختلفة، لذلك تمتص كل منها جزءًا مختلفًا من الطيف الشمسي، مما يجعل استخدام ضوء الشمس أكبر من الخلايا أحادية الوصلة. يمكن للخلايا الشمسية متعددة الوصلات أن تصل إلى مستويات كفاءة قياسية لأن الضوء الذي لا تمتصه الطبقة الأولى من أشباه الموصلات يتم التقاطه بواسطة طبقة تحتها.
في حين أن جميع الخلايا الشمسية التي تحتوي على أكثر من فجوة نطاق واحدة هي خلايا شمسية متعددة الوصلات، فإن الخلية الشمسية التي تحتوي على فجوتي نطاق بالضبط تسمى خلية شمسية ترادفية.
أثبتت الخلايا الشمسية متعددة الوصلات كفاءة أعلى من 45%، لكنها مكلفة ويصعب تصنيعها، لذا فهي مخصصة لاستكشاف الفضاء.
الخلايا الكهروضوئية المركزة:
يعمل التركيز الكهروضوئي، المعروف أيضًا باسم CPV، على تركيز ضوء الشمس على خلية شمسية باستخدام مرآة أو عدسة. من خلال تركيز ضوء الشمس على منطقة صغيرة، هناك حاجة إلى كمية أقل من المواد الكهروضوئية. تصبح المواد الكهروضوئية أكثر كفاءة عندما يصبح الضوء أكثر تركيزًا، لذلك يتم الحصول على كفاءة إجمالية أعلى باستخدام خلايا ووحدات CPV. ومع ذلك، المواد المستخدمة وتقنيات التصنيع أكثر تكلفة
تُشكل الخلايا الشمسية بمختلف أنواعها ركيزة أساسية في مسيرة التحول نحو مستقبل طاقة مستدام. فمن خلال البحث والتطوير المستمر، تتحسن كفاءة هذه الخلايا وتنخفض تكلفتها، مما يفتح الباب أمام انتشار أوسع وأثر أكبر على حياتنا وبيئتنا. الطريق نحو مستقبل مشرق بالطاقة الشمسية مليء بالفرص والإمكانيات، ويتطلب منا جميعاً تبني هذه التقنية ودعم تطويرها.
إذا كنت مهتماً بالاستثمار بالطاقة الشمسية ولست واثقاً من الخيار الأمثل بالنسبة لك. سواء كنت فرداً أم شركة، فسيساعدك خبرائنا بتحليل احتياجات الطاقة الخاصة بك، والتوصية بأفضل نظام طاقة كهرو شمسية قد يناسبك. وسنكون معك خلال العملية بأكملها من التصميم وحتى التركيب والتشغيل.
تعرف على خدماتنا
لتظل مطلعاً على كل جديد في عالم الطاقة الشمسية تابعنا على:
