دليلك الذي يجب أن تعرفه لكفاءة الخلايا الشمسية

A الخلايا الشمسية هو جهاز يحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية. يتم تحقيق هذا التحويل من خلال استخدام التأثير الكهروضوئي في مادة شبه موصلة، عادة السيليكون. تعد الخلايا الشمسية مكونًا رئيسيًا لتقنيات الطاقة المتجددة وتستخدم على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الشمسية. 

المقالة التالية سوف تعطيك لمحة عامة عن تاريخ الخلايا الشمسية التطوير وسوف يسلط الضوء على سجلات الكفاءة الرئيسية حتى الآن.

جدول المحتويات
تطور الخلايا الشمسية
تصنيف
كفاءة الخلايا الشمسية
الأرقام القياسية العالمية للخلايا الشمسية على مر السنين
الفرق بين الكفاءة المعملية والتجارية
الاتجاهات الرئيسية في تكنولوجيا الخلايا الشمسية
اختتام

تطور الخلايا الشمسية

تاريخ ال الخلايا الشمسية يعود تاريخها إلى أواخر القرن التاسع عشر، عندما اكتشف العلماء أن بعض المواد الكهروضوئية يمكن أن تنتج تيارًا كهربائيًا عند تعرضها للضوء. ولكن لم تنجح شركة Bell Labs في تطوير أول خلية شمسية سيليكونية عملية إلا في عام 1800. في ستينيات القرن العشرين، بدأ استخدام الخلايا الشمسية لتزويد المركبات الفضائية بالطاقة، مما حفز على تطوير تقنياتها بشكل أكبر. 

بدأ التسويق والتعميم في السبعينيات، ومع ظهور أزمة الطاقة، حظيت الخلايا الشمسية باهتمام أكبر كمصدر للطاقة المتجددة. سمح التقدم التكنولوجي وانخفاض تكاليف الإنتاج للخلايا الشمسية بالبدء في استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات التجارية والسكنية.

تصنيف

سيليكون أحادي البلورة الخلايا الشمسية: إنها مصنوعة من بلورة سيليكون واحدة وهي أكثر كفاءة ولكنها مكلفة نسبيًا. عادةً ما تتمتع بكفاءة عالية في تحويل الطاقة وعمر خدمة طويل.

السيليكون متعدد البلورات الخلايا الشمسية: مصنوعة من عدة بلورات سيليكون صغيرة، وهي أقل كفاءة قليلاً من السيليكون أحادي البلورية، ولكنها أقل تكلفة.

رقيقة الخلايا الشمسية: يتم تغطية السيليكون غير المتبلور أو المواد الأخرى (على سبيل المثال، CdTe، CIGS) بطبقات رقيقة جدًا على الركيزة. هذه الخلايا أرخص، ولكنها عادة ما تكون أقل كفاءة من خلايا السيليكون البلورية.

جديد الخلايا الشمسية: وتشمل هذه الخلايا الشمسية العضوية، والخلايا الشمسية الكالكوجينيدية، وما إلى ذلك، والتي قد توفر تكاليف تصنيع أقل وإمكانيات تطبيق جديدة. وقد تؤدي خلايا الكالكوجينيد، على وجه الخصوص، إلى اكتشافات جديدة.

كفاءة الخلايا الشمسية

الخلايا الشمسية تعد الكفاءة مقياسًا رئيسيًا لمدى كفاءة الخلية الشمسية في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. وعلى وجه التحديد، فهي نسبة الطاقة الكهربائية التي تنتجها الخلية الشمسية إلى الطاقة التي تتلقاها من إشعاع الشمس. وبعبارة أخرى، فهو يصف مقدار الطاقة الشمسية التي تمتصها الخلية الشمسية والتي يتم تحويلها بكفاءة إلى طاقة كهربائية.

أهمية كفاءة الخلايا الشمسية

مخرج قوي: كلما زادت الكفاءة، زادت كمية الكهرباء التي يمكن أن تنتجها الخلية الشمسية بنفس الحجم في ظل نفس ظروف الإضاءة.

الفعالية من حيث التكلفة: تعمل زيادة الكفاءة على تقليل تكلفة وحدة الكهرباء الشمسية، مما يجعل الطاقة الشمسية أكثر تنافسية من الناحية الاقتصادية.

استغلال المساحة: يمكن للخلايا الشمسية عالية الكفاءة أن تنتج المزيد من الكهرباء في مساحة محدودة، وهو أمر مهم بشكل خاص للتطبيقات ذات المساحة المحدودة مثل أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح أو المنشآت الصغيرة.

عملية تحسين الكفاءة

يمكن تقسيم تطوير الخلايا الشمسية إلى ثلاث مراحل، لكل منها إنجازاتها التكنولوجية الخاصة:

المرحلة الأولى: الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية

المرحلة الأولى من الخلايا الشمسية يعتمد بشكل أساسي على مواد السيليكون أحادية البلورات ومتعددة البلورات. بلغت كفاءة خلايا السيليكون الشمسية الأولية التي تم تسويقها تجاريًا حوالي 6%، ولكن مع التحسينات التكنولوجية، تمكنت خلايا السيليكون أحادية البلورية الحديثة من الوصول إلى كفاءة تزيد عن 22% في ظل ظروف المختبر.

عملية الإنجاز: ترجع الزيادة في الكفاءة بشكل أساسي إلى التقدم التكنولوجي في نقاء السيليكون، وتحسين بنية الشبكة، وتقليل الانعكاس، وتحسين تصميم القطب الكهربائي، وتقليل فقدان الطاقة داخل الخلية.

المرحلة الثانية: الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تشبه الخلايا الشمسية تشمل سيلينيد غاليوم الإنديوم النحاسي (CIGS)، وتيلوريوم الكادميوم (CdTe)، والخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة. كفاءة البدء لهذه الخلايا الرقيقة منخفضة، عمومًا حوالي 10%، ولكن مع تطور المواد وتكنولوجيا العمليات، تجاوزت الكفاءة المعملية لخلايا CIGS وCdTe 23%.

يتم تحقيق ذلك بشكل أساسي من خلال تحسين قدرة امتصاص الضوء للمواد الرقيقة، وتحسين كفاءة نقل الناقل وتحسين بنية الخلية.

المرحلة الثالثة: الخلايا الشمسية تيتانيت الكالسيوم

تيتانيت الكالسيوم الخلايا الشمسية هي أسرع فئة من الخلايا الشمسية نموا في السنوات الأخيرة. منذ تقريرها الأول في عام 2009، زادت كفاءتها بسرعة من 3.8% في البداية إلى أكثر من 33.9% اليوم.

تُعزى الزيادة السريعة في الكفاءة إلى المزايا الفريدة لمواد الكالكوجينيد، مثل معاملات امتصاص الضوء العالية، وفجوات النطاق القابلة للتعديل، وعمليات التصنيع البسيطة.

الأرقام القياسية العالمية للخلايا الشمسية على مر السنين

المرحلة الناشئة من التطور (2009~2012)

2009 كفاءة تحويل الطاقة 3.5%: استخدم العالم الياباني مياساكا مادة الكالكوجينيد للخلايا الشمسية الحساسة للصبغ كمادة ممتصة للضوء، لكن المادة كانت غير مستقرة وفشلت بعد بضع دقائق.

2011 كفاءة تحويل الطاقة 6.5%: قام Nam-Gyu Park، جامعة سونجكيونكوان، كوريا الجنوبية، بتحسين تكنولوجيا الخلايا الشمسية الكالكوجينيد، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كفاءة التحويل الكهروضوئي، ولكن المادة لا تزال غير مستقرة بسبب استمرار استخدام المنحل بالكهرباء السائل، وانخفضت الكفاءة بنسبة 80٪ بعد بضع دقائق.

2012 كفاءة تحويل الطاقة 10%: قدمت مجموعة هنري سنيث بجامعة أكسفورد مادة النقل Spiro-OMeTA، وأدركت الحالة الصلبة لخلية الكالكوجينيد، وحسّنت كفاءة التحويل بشكل أكبر ولم يتحلل الأداء الكهروضوئي بشكل واضح بعد 500 ساعة، مما يدل على أداء استقرار ممتاز.

مرحلة التطوير الأولية (2012~2015)

في 2012قام هنري سنيث من جامعة أكسفورد باستبدال TiO2 في الخلية بالألمنيوم (A1203)، ومنذ ذلك الحين لم يكن الكالسيت طبقة ماصة للضوء في الخلية فحسب، بل كان أيضًا بمثابة مادة شبه موصلة لنقل الشحنة الكهربائية.

في 2013، تم اختيار الكالكوجينيد كواحد من أفضل 10 اكتشافات علمية في العلوم لعام 2013.

في عام 2015 بلغت كفاءة تحويل الطاقة 15%: وتعاونت الصين واليابان وسويسرا في تصنيع خلايا شمسية كبيرة الحجم (مساحة عمل تزيد عن 1 سم2) من مادة الكالكوجينيد، والتي تم اعتمادها من قبل السلطات الدولية.

مرحلة التطور السريع (2016 إلى الوقت الحاضر)

2016 كفاءة تحويل الطاقة 19.6%: قامت مجموعة البروفيسور جراتزل في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان بزيادة الكفاءة المعتمدة إلى 19.6%.

2018 كفاءة تحويل الطاقة 23.7%: اقترح معهد أبحاث أشباه الموصلات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم تخميل الملح العضوي لعيوب سطح الكالكوجينيد، مما أدى إلى زيادة كفاءة التحويل على التوالي إلى 23.3% و23.7%.

2021 كفاءة تحويل الطاقة 29.8%: قام مركز هيلمهولتز برلين (HZB) بتطوير كفاءة تحويل بطارية ترادفية الكالكوجينيد بنسبة 29.8%، وهو ما يتجاوز حد كفاءة الوصلات غير المتجانسة (HJT)، وTOPCon وغيرها من تقنيات السيليكون البلورية.

2022 كفاءة تحويل الطاقة 31.3%: قامت مدرسة الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان (EPFL) والمركز السويسري للإلكترونيات والتكنولوجيا الدقيقة (CSEM) بإنشاء خلايا كهروضوئية مكدسة من الكالكوجينيد والسيليكون بكفاءة تحويل تبلغ 31.3٪.

2023 كفاءة تحويل الطاقة 33.9%: تصل كفاءة الخلية البلورية المكدسة من السيليكون والكالسيت التي طورتها شركة LONGi Green Energy Technology الصينية بشكل مستقل إلى 33.9%، متجاوزة حد الكفاءة النظرية لـ Shockley-Quayther (SQ) البالغ 33.7% للخلايا أحادية الوصلة.

الفرق بين الكفاءة المعملية والتجارية

تعد كفاءة المختبر وكفاءة التسويق مقياسين مختلفين لتقييم أداء الخلايا الشمسية، وهناك بعض الاختلافات الرئيسية بينهما:

كفاءة المختبر

فريف:

كفاءة المختبر هي أقصى كفاءة لـ أ الخلايا الشمسية يتم قياسها في ظل ظروف مختبرية مثالية. يتضمن ذلك عادةً ظروف اختبار قياسية (STC) مثل شدة ضوء محددة (1000 واط/م²)، وتوزيع طيفي محدد ودرجة حرارة ثابتة (عادة 25 درجة مئوية).

الخصائص:

عادةً ما يتم قياس كفاءات المختبر في ظل ظروف الاختبار المُحسّنة التي تم إعدادها لتحقيق أقصى قدر من أداء الخلية.

عادة ما يتم قياس هذه الكفاءة للخلايا الفردية أو عينات الخلايا الصغيرة، وليس للوحة أو نظام شمسي كامل.

تعكس الكفاءة المعملية الحد الأعلى للإمكانات التقنية للخلية الشمسية.

كفاءة التسويق

فريف:

كفاءة التسويق هي متوسط ​​كفاءة الخلايا الشمسية أو الألواح الشمسية التي يتم إنتاجها بالفعل ووضعها في السوق. إنه مستوى الأداء الذي يمكن أن يتوقعه المستهلكون عند شراء واستخدام نظام الخلايا الشمسية.

الخصائص:

عادة ما تكون كفاءة التسويق أقل من كفاءة المختبر لأنها يجب أن تأخذ في الاعتبار مجموعة متنوعة من العوامل العملية في عملية الإنتاج الضخم، مثل اختلافات المواد، وتفاوتات التصنيع، والموثوقية على المدى الطويل.

يتم قياس هذه الكفاءة في ظل ظروف أقرب إلى ظروف التشغيل الفعلية، بما في ذلك درجات الحرارة المتفاوتة، وظروف الإضاءة، والتظليل المحتمل.

تعكس الكفاءات التجارية أكثر الأداء الفعلي للخلايا الشمسية في الاستخدام اليومي.

الخلافات

كفاءة: عادة ما تكون كفاءة المختبر أعلى من الكفاءة التجارية لأنه يتم الحصول عليها في ظل ظروف مثالية.

تطبيق: تُستخدم كفاءة المختبرات بشكل أكبر في البحث والتطوير لتعزيز الاختراقات التكنولوجية الجديدة؛ بينما تركز الكفاءة التجارية على الأداء الفعلي للمنتج والقدرة التنافسية في السوق.

التكلفة: عندما يتم تحقيق الكفاءة التجارية، يجب أيضًا أخذ تكلفة الإنتاج وجدوى الإنتاج على نطاق واسع في الاعتبار، وهو ما لا يعد عادةً اعتبارًا رئيسيًا في تحديد كفاءة المختبر.

الاتجاهات الرئيسية في تكنولوجيا الخلايا الشمسية

الإنجازات المستقبلية في الخلايا الشمسية تتمحور التكنولوجيا حول تحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتعزيز المتانة والتكيف مع احتياجات التطبيقات المتنوعة. وفيما يلي نظرة تفصيلية لهذه الاتجاهات:

زيادة كفاءة تحويل الطاقة

الخلايا الشمسية متعددة الوصلات: ومن خلال تكديس المواد شبه الموصلة بفجوات نطاقية مختلفة، يمكن للخلايا الشمسية متعددة الوصلات أن تمتص نطاقًا أوسع من ضوء الشمس، وبالتالي تحسين الكفاءة الإجمالية. يمكن رؤية المزيد من الخلايا الشمسية ثلاثية الوصلات وحتى رباعية الوصلات في المستقبل.

مزيج الكالكوجينيد والسيليكون: إن الجمع بين الخلايا الشمسية الكالكوجينيدية وخلايا السيليكون التقليدية لتشكيل خلايا شمسية هجينة أو مكدسة قد يوفر كفاءة أعلى واستجابة طيفية أفضل.

خفض التكاليف وتحسين الاستدامة

توسيع نطاق الإنتاج: ومن المتوقع أن تنخفض تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية بشكل أكبر مع نضوج التكنولوجيا وتحقيق الإنتاج على نطاق واسع.

المواد المتجددة: إن البحث والتطوير لمواد أكثر صديقة للبيئة وقابلة لإعادة التدوير وتقليل الاعتماد على المواد النادرة والسامة سيساعد على تحسين الاستدامة البيئية للخلايا الشمسية.

تعزيز المتانة والموثوقية

تحسين الاستقرار على المدى الطويل: ويهدف الباحثون إلى تحسين استقرار الخلايا الشمسية على المدى الطويل ومقاومتها للعوامل الجوية لتتمكن من التكيف مع مجموعة متنوعة من الظروف البيئية وإطالة عمرها.

مواد الشفاء الذاتي: تطوير مواد الخلايا الشمسية التي يمكنها إصلاح الأضرار الطفيفة ذاتيًا للحفاظ على كفاءة عالية على المدى الطويل.

اختتام

تحسين كفاءة الخلايا الشمسية وقد دخل مرحلة سريعة، خاصة مع الاستخدام العملي لخلايا الكالكوجينيد التي ستضفي حيوية جديدة على هذا المجال. يعد التحسين المستمر في كفاءة الخلايا الشمسية عاملاً رئيسياً في دفع تطوير تكنولوجيا الطاقة الشمسية واعتمادها في السوق. 

ومن خلال الابتكارات في علوم المواد، وتصميم الخلايا المتقدم والتقدم في تكنولوجيا التصنيع، أصبحت الخلايا الشمسية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وموثوقة. ومع المزيد من التحسينات في الكفاءة وتطبيق التكنولوجيات الجديدة، يمكننا أن نتوقع أنها ستوفر حلول طاقة أكثر موثوقية وفعالة من حيث التكلفة للمنازل والشركات.

أخيرًا ، توجه إلى Alibaba.com لاستكشاف مجموعة من اتجاهات الطاقة المتجددة وتصفح قائمة عروض المنتجات، بما في ذلك الخلايا الشمسية للاستخدام المنزلي والتجاري.