ملخص:
تعرض هذه المقالة واحدة من أهم التقنيات المستقبلية المتوقعة لزيادة مردود ألواح الطاقة الشمسية.
مقدمة:
شهدت السنوات السابقة تطوراً متسارعاً في تقنيات تصنيع الخلايا الشمسية وقد أدت هذه التقنيات المختلفة مثل (Half-cut, Third-cut, PERC, Topcon) وغيرها إلى زيادة مردود الخلايا الشمسية إلى أن وصلت لـ 25% -عند كتابة هذه المقالة- على المستوى التجاري. وعلى الرغم من هذا التطور فإن العديد من الشركات المصنعة ومراكز الأبحاث تسعى لإحداث نقلة نوعية في مجال صناعة الخلايا الشمسية عن طريق تطوير تقنية الخلايا الشمسية متعددة الطبقات (Multi Junction Solar Cells).
فما هي هذه التقنية وكيف يمكن عن طريقها زيادة مردود ألواح الطاقة الشمسية؟
قبل البدء في الحديث عن هذه التقنية لابد بدايةً من التذكير ببعض الأساسيات في مجال الطاقة الكهروشمسية.
فجوة نطاق الطاقة (Energy Band Gap): يعبٍّر هذا المصطلح عن الحد الأدنى من الطاقة التي تتطلبها الكترونات المدار الخارجي لذرة مادة ما لتتمكن من ترك ذرتها والمشاركة في عملية التوصيل الكهربائي.
فجوة نطاق الطاقة للخلايا الشمسية: تختلف هذه الفجوة تبعاً لنوع مادة أشباه الموصلات المستخدمة، حيث تبلغ هذه القيمة لمادة السيليكون والتي تعتبر الأكثر انتشاراً 1.11 (الكترون فولت) ضمن حرارة الغرفة، أي يجب أن تمتلك الفوتونات الضوئية التي تصدُم الخلايا الشمسية طاقة أكبر من 1.11 (الكترون فولت) لتستطيع تحرير الالكترونات السطحية لمادة السيليكون من مداراتها.
بينما تبلغ هذه القيمة 1.44 (الكترون فولت) للخلايا الشمسية المصنوعة من تيلورايد الكادميوم (CdTe).
طاقة النطاق لأشباه الموصلات الأكثر استخداماً في تصنيع الخلايا الضوئية
| Eg [ev] | Material | Eg [ev] | Material |
| 1.4 | GaAs | 0.65 | Ge |
| 1.44 | CdTe | 1.11 | c-Si |
| 1.86 | InGaP | 1.2 | InGaAs |
منحني شوكلي-كوييسر (Shockley–Queisser): يظهر هذا المنحني مردود الخلايا الشمسية أحادية الطبقة (ٍSingle Junction Solar Cells) كتابع لطاقة الفوتونات الضوئية المسلطة على الخلايا.
ونلاحظ من المنحني مجموعة نقاط:
- عند زيادة طاقة الفوتونات في المرحلة الأولى يزداد مردود الخلايا بسبب زيادة الفوتونات المشاركة في عملية توليد الطاقة الكهربائية.
- عند تجاوز طاقة الفوتونات حداً معيناً، والذي غالبا ما يساوي فجوة النطاق للمادة ينقص المردود بسبب زيادة درجة حرارة الخلايا.
- يبلع المردود الأعظمي للخلايا أحادية الطبقة في الظروف المخبرية لأغلب أشباه الموصلات 33%، وذلك عند الاشعاع الطبيعي (one sun).
الخلايا الشمسية متعددة الطبقات (Multi Junction Solar Cells):
تتألف هذه الخلايا من عدة طبقات ذات فجوات نطاق مختلفة. يتم ترتيب هذه الطبقات بحيث تكون الطبقة الأولى ذات فجوة النطاق الأكبر مواجهة لأشعة الشمس وبالتالي تقوم هذه الطبقة بامتصاص الفوتونات ذات الطاقة المرتفعة أما الفوتونات ذات الطاقة الأقل فتعبر هذه الطبقة لتصطدم بالطبقة الثانية والتي تمتلك فجوة نطاق أقل من الطبقة السابقة، وهكذا لبقية الطبقات والتي يمكن أن تصل حتى 6 طبقات.
نتيجة وجود هذه الطبقات تستطيع هذه الخلايا تحويل القدَر الأكبر من طاقة الفوتونات الضوئية الساقطة إلى طاقة كهربائية وعند درجة حرارة أخفض للوح.
الأداء المخبري للخلايا متعددة الطبقات:
يبين الشكل الآتي أحد أمثلة الخلايا ثلاثية الطبقات، حيث تم تصنيع الطبقة الأولى من مادة فوسفيد الإنديوم الغاليوم (GaInP) والطبقة الثانية من مادة زرنيخ الإنديوم الغاليوم (InGaAs) وتم استخدام الجرمانيوم (Ge) لتصنيع الطبقة الثالثة.
أبدت هذه الخلية كفاءة مخبرية وصلت حتى 45%، وقد وجدت بعض الدراسات أن زيادة عدد الطبقات إلى ست طبقات أدى إلى زيادة الكفاءة المخبرية للخلايا إلى حدود 70%.
الخلاصة:
ماتزال هذه التقنية حتى الآن حبيسة المخابر العلمية نتيجة التعقيد في عملية التصنيع والارتفاع في تكلفة المواد المشكلة للطبقات. ورغم ذلك تبقى هذه التقنية الأمل الواعد في سباق زيادة مردود الخلايا الشمسية.
المراجع
- Energy Band gap of Solar cells.. SinoVoltacs.
- Masafumi Yamaguchi، Frank Dimroth، و John F. Geisz. (2021). Multi-junction solar cells paving the way for super high-efficiency. Journal of Journal of.
- Sayad, Y. (2016). Photovoltaic potential of III-nitride based tandem solar cells. Journal of Science: Advanced Materials and Devices.
- Wilson, T., Thomas, T., & Führer, M. (2016). Single and multi-junction solar cells utilizing a 1.0 eV SiGeSn junction. AIP.
