الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

ما يصل إلى 85٪ من الخلايا الشمسية الموجودة في السوق اليوم عبارة عن وحدات شمسية بلورية. ومع ذلك ، يؤكد الخبراء أن تقنية الأغشية الرقيقة لإنتاج الخلايا الشمسية أثبتت أنها أكثر كفاءة ، وبالتالي فهي أكثر الوحدات البلورية الواعدة المعروفة بالفعل.

الميزة الرئيسية لتقنية الأغشية الرقيقة هي انخفاض تكلفتها ، وهذا هو سبب حصولها على كل الفرص لتصبح رائدة في السنوات القادمة. وحدات القاعدة الجديدة تجعل الألواح الشمسية مرنة بالمعنى الحرفي للكلمة. إنها خفيفة ومرنة ، مما يسمح لك بوضع هذه البطاريات على أي سطح حرفيًا ، بما في ذلك سطح الملابس.

تعتمد الخلايا الشمسية المرنة على أفلام البوليمر ، والسيليكون غير المتبلور ، والألمنيوم ، والكادميوم تيلورايد وأشباه الموصلات الأخرى ، والتي تستخدم بالفعل في إنتاج أجهزة الشحن المحمولة للهواتف المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والأجهزة اللوحية ، وكاميرات الفيديو وغيرها من الأدوات ، في شكل صغير قابل للطي الخلايا الشمسية. ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة ، فيجب أن تكون مساحة الوحدة أكبر.

تم صنع العينات الأولى من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من السيليكون غير المتبلور المترسب على ركيزة ، وكانت الكفاءة من 4 إلى 5 ٪ فقط ، ولم يكن عمر الخدمة طويلاً. كانت الخطوة التالية لنفس التقنية هي زيادة الكفاءة إلى 8 ٪ وإطالة عمر الخدمة ، وأصبحت قابلة للمقارنة مع سابقاتها البلورية. أخيرًا ، كان للجيل الثالث من وحدات الأغشية الرقيقة كفاءة بالفعل تبلغ 12٪ ، وهو بالفعل تقدم كبير وقدرة تنافسية.

إن سيلينيد نحاس الإنديوم وكادميوم تيلورايد المستخدمين هنا مكّنوا من إنشاء خلايا شمسية مرنة وأجهزة شحن محمولة بكفاءة تصل إلى 10٪ ، وهذا بالفعل إنجاز مهم ، مع الأخذ في الاعتبار أن علماء الفيزياء يقاتلون من أجل كل نسبة إضافية من الكفاءة. الآن دعونا نلقي نظرة فاحصة على كيفية تصنيع البطاريات الرقيقة.

أما بالنسبة للكادميوم تيلورايد ، فقد بدأت دراسته كمواد ممتصة للضوء في السبعينيات ، عندما كان من الضروري إيجاد أفضل خيار للاستخدام في الفضاء. حتى يومنا هذا ، لا يزال تيلورايد الكادميوم هو الأكثر وعدًا للخلايا الشمسية. ومع ذلك ، تظل مسألة سمية الكادميوم مفتوحة لبعض الوقت.

نتيجة البحث ، تبين أن الخطر ضئيل ، ومستوى الكادميوم المنطلق في الغلاف الجوي ليس خطيرًا. تبلغ الكفاءة 11٪ ، في حين أن سعر الواط أقل بمقدار الثلث من نظائر السيليكون.

الآن لنحاس الإنديوم سيلينيد. يتم استخدام كمية كبيرة من الإنديوم اليوم لإنشاء شاشات مسطحة ، لذلك يتم استبدال الإنديوم مع ذلك بغاليوم ، الذي له نفس خصائص طاقة شمسية... بطاريات الفيلم على هذا الأساس تحقق كفاءة بنسبة 20٪.

في الآونة الأخيرة ، بدأ تطوير ألواح البوليمر.هنا ، تعمل أشباه الموصلات العضوية كمواد ممتصة للضوء: كربون فوليرين ، بوليفينلين ، فثالوسيانين نحاسي ، إلخ. يبلغ سمك الخلية الشمسية 100 نانومتر ، لكن الكفاءة تتراوح من 5 إلى 6٪ فقط. ولكن في الوقت نفسه ، تكون تكاليف الإنتاج منخفضة جدًا ، والأفلام ميسورة التكلفة وخفيفة الوزن وصديقة للبيئة تمامًا. لهذا السبب ، تحظى الألواح المصنوعة من الراتينج بشعبية كبيرة حيث تكون الصداقة البيئية والمرونة الميكانيكية مهمة.

لذا فإن كفاءة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة المصنعة اليوم:

• بلورة واحدة - من 17 إلى 22٪ ؛

• بوليكريستال - من 12 إلى 18٪ ؛

• السيليكون غير المتبلور - 5 إلى 6٪ ؛

• الكادميوم تيلورايد - من 10 إلى 12٪ ؛

• سيلينيد النحاس والإنديوم - من 15 إلى 20٪ ؛

• البوليمرات العضوية - 5 إلى 6٪.

ما هي خصائص البطاريات الرقيقة؟ بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى الأداء العالي للوحدات النمطية حتى في الضوء المنتشر ، والذي يوفر طاقة أكبر بنسبة تصل إلى 15٪ خلال العام مقارنةً بمثيلاتها الكريستالية. بعد ذلك تأتي ميزة تكلفة التصنيع. في الأنظمة عالية الطاقة ، من 10 كيلوواط ، تُظهر وحدات الأغشية الرقيقة كفاءة أكبر ، على الرغم من الحاجة إلى مساحة أكبر بمقدار 2.5 مرة.

وبالتالي ، يمكننا تسمية الظروف التي تكتسب فيها وحدات الأغشية الرقيقة ميزة مبررة. في المناطق ذات الطقس الغائم في الغالب ، ستعمل بطاريات الأغشية الرقيقة بكفاءة (الضوء المنتشر). بالنسبة للمناطق ذات المناخات الحارة ، تكون الأغشية الرقيقة أكثر كفاءة (تعمل بكفاءة في درجات حرارة عالية كما في درجات الحرارة المنخفضة). امكانية استخدامها كحلول تصميم ديكوريه لتشطيب واجهات المباني. شفافية تصل إلى 20٪ ممكنة ، الأمر الذي يعود بالفائدة على أيدي المصممين.

وفي الوقت نفسه ، في عام 2008 ، اقترحت شركة Solyndra الأمريكية وضع بطاريات رقيقة على أسطوانات ، حيث يتم وضع طبقة من الخلية الكهروضوئية على أنبوب زجاجي يتم وضعه داخل أنبوب آخر مزود بملامسات كهربائية. المواد المستخدمة هي النحاس والسيلينيوم والغاليوم والإنديوم.

يسمح التصميم الأسطواني بامتصاص المزيد من الضوء ، وتتناسب مجموعة مكونة من 40 أسطوانة لكل متر من لوحين. والميزة هنا هي أن طلاء السقف الأبيض يساهم في الكفاءة العالية لمثل هذا الحل ، لأن الأشعة المنعكسة تعمل أيضًا ، مضيفة 20٪ من طاقتها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المجموعات الأسطوانية مقاومة حتى للرياح القوية التي تصل سرعتها إلى 55 م / ث.

تحتوي معظم الخلايا الشمسية المصنعة اليوم على تقاطع pn واحد فقط ، والفوتونات ذات الطاقة الأقل من فجوة النطاق لا تشارك ببساطة في التوليد. ثم توصل العلماء إلى طريقة للتغلب على هذا القيد ، حيث تم تطوير عناصر متتالية لهيكل متعدد الطبقات ، حيث يكون لكل طبقة عرض نطاق خاص بها ، أي أن كل طبقة لها تقاطع pn منفصل مع قيمة فردية للطاقة الممتصة الفوتونات.

تتكون الطبقة العليا من سبيكة تعتمد على السيليكون غير المتبلور المهدرج ، والثانية - سبيكة مماثلة مع إضافة الجرمانيوم (10-15 ٪) ، والثالثة - مع إضافة 40 إلى 50 ٪ من الجرمانيوم. وبالتالي ، فإن كل طبقة متتالية لها فجوة أضيق من تلك الموجودة في الطبقة السابقة ، ويتم امتصاص الفوتونات غير الممتصة في الطبقات العليا بواسطة الطبقات الأساسية للفيلم.

في هذا النهج ، تنخفض تكلفة الطاقة المولدة إلى النصف مقارنة بخلايا السيليكون البلورية التقليدية. نتيجة لذلك ، تم تحقيق كفاءة بنسبة 31٪ من خلال فيلم بثلاث تمريرات ، والفيلم المكون من خمس تمريرات يعد 43٪ بالكامل.

في الآونة الأخيرة ، طور متخصصون من جامعة موسكو الحكومية خلايا شمسية من نوع اللفافة تعتمد على بوليمر مطبق على ركيزة مرنة من المواد العضوية. تبين أن الكفاءة تبلغ 4 ٪ فقط ، لكن هذه البطاريات يمكن أن تعمل حتى عند + 80 درجة مئوية لمدة 10000 ساعة. هذه الدراسات لم تكتمل بعد.

حقق العلماء السويسريون كفاءة بنسبة 20.4 ٪ على أساس البوليمر ، واستخدم الإنديوم والنحاس والسيلينيوم والغاليوم كأشباه موصلات. اليوم ، هذا رقم قياسي للعناصر الموجودة في فيلم بوليمر رقيق.

في اليابان ، حققوا كفاءة بنسبة 19.7 ٪ في أشباه الموصلات (الإنديوم والسيلينيوم والنحاس) المتراكمة. وفي اليابان بدأوا في إنتاج النسيج الشمسي ، حيث تم تطوير الألواح الشمسية المصنوعة من القماش باستخدام عناصر أسطوانية يبلغ قطرها حوالي 1.2 ملم متصلة بالنسيج. في بداية عام 2015 ، خططوا لبدء إنتاج الملابس والمظلات على هذا الأساس.

من الواضح أن الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ستصبح متاحة بشكل عام للسكان في المستقبل القريب ، ولا عجب أن يتم إجراء الكثير من الأبحاث حول العالم من أجل تقليل التكاليف.