اختيار أفضل المواد للفرق الشمسية المرنة

دور الأفرقة الشمسية المرنة في الطاقة المتجددة

وقد أصبحت الألواح الشمسية المرنة ابتكاراً رئيسياً في قطاع الطاقة المتجددة، حيث توفر بدائل خفيفة الوزن، قابلة للذوبان، ومحمولة للألواح الجامدة التقليدية، وقدرتها على الامتثال للأسطح المكشوفة، وتقلّص وزنها، تجعلها مثالية للتطبيقات التي تتراوح بين حقائب الظهر ومعدات التخييم إلى تركيب أجهزة التصوير الفلكي المدمجة، والنظم الفضائية الجوية، ومن المتوقع أن تنمو الأسواق العالمية لأجهزة اختيار الطاقة الشمسية المرنة إلى حد كبير.

وتبحث هذه المادة المواد الأساسية المستخدمة في الألواح الشمسية المرنة: الخلايا الفوفولطية التي تحوّل ضوء الشمس إلى الكهرباء، والجهاز الفرعي الذي يوفر الدعم الميكانيكي، والمستكشف الذي يحمي الخلايا من البيئة، والطبقات الخارجية الحمائية، كما نستكشف العوامل الحاسمة التي تؤثر على الاختيار المادي، والابتكارات الناشئة في الميدان، والتوجيه العملي لاختيار التركيبة الصحيحة لمشروعكم.

فهم الهيكل التنظيمي للفريق الشمسي المرن

ويتكون الفريق الشمسي المرن من هيكل متعدد المستويات، وفي بناء نموذجي، يتم ترتيب طبقات على النحو التالي: ورقة مقدمة للحماية الخارجية (في كثير من الأحيان تكون ذات بوليمر شفاف ومقاومة للمركبات)، وطبقة من الكبسولات فوق الخلايا الفولطية، والخلايا الفولطية نفسها (تكنولوجيا الرش الأكثر شيوعا)، وطبقة ثانية من التعزيزات تحت الخلايا، وتشمل أخيراً مواد المساندة الميكانيكية ذات الغطاء.

اختيار المواد لكل طبقة يؤثر مباشرة على مرونة الفريق وكفاءته وسلوكه الحراري ومقاومته للإجهاد البيئي مثل الرطوبة و التدوير الحراري و التعرض للأشعة فوق البنفسجية

Photovoltaic Cell Technologies for Flexible Panels

وعلى عكس الألواح الصلبة التي تستخدم وورقات السيليكون السميكة، تعتمد الأفرقة المرنة على تكنولوجيات الفلائق البلاستيكية الرقيقة التي يمكن إيداعها في مواضع فرعية مرنة، أما ثلاث تكنولوجيات ذات مقياس رقيق فهي من السيليكون الهليون الهليون الهليون (أ-سي)، وقود الكادميوم (CdTe)، وسادس فلوريد الغاليوم (CIGS)، ولكل مجموعة من الخصائص المختلفة التي تؤثر على المواد.

Amorphous Silicon (a-Si)

أما السيلكون الغامض فهو أقدم تكنولوجيا للمرشحات الصغيرة المستخدمة في الألواح المرنة، ويوضع كطبقة رقيقة من السيليكون غير الكريستالي في طبقة فرعية مثل رقائق البليمر أو الفولاذ اللاصق، وتجعل الخلايا ذات القدرة الخفيفة ويمكن أن تكون مرنة، ولكن كفاءتها منخفضة نسبياً من 6 إلى 8 في المائة بالنسبة للوحدات التجارية.

Cadmium Telluride (CdTe)

وشركة CdTe هي موصل نصف موصل مباشر يحقق كفاءة أعلى من نسبة 9-12 في المائة من الوحدات التجارية، وتصل إلى 22 في المائة في الخلايا المختبرية، وشركة CdTe، التي تملك خصائص امتصاص ممتازة، مما يتيح طبقة نشطة جدا (قليل من الميكرومترات)، وهي تعمل بشكل جيد في ظروف منخفضة الضوء وشديدة الترجيح، غير أن التراكم البيئي هو أمر سام.

Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)

وتعتبر هذه المجموعة التكنولوجيا المتقدمة التي تستخدمها في استخدام أجهزة مرنة تعمل بالكهرباء الشمسية نظراً لارتفاع كفاءتها ومرونتها الممتازة، وتحقق نماذج التصنيف الصناعي الدولي الموحد التجاري كفاءة تتراوح بين 12 و16 في المائة، وتجاوزت خلايا البحث 23 في المائة، ويمكن إيداع طبقة الموصلات في مصانع فرعية مرنة مثل أفلام البوليميد أو فولاذ الخفيف أو البوليمر المتجدد، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة التصنيع.

التكنولوجيات الناشئة: المواد الفوتوغرافية العضوية وأجهزة بيروفسكيتس

وتستخدم الخلايا العضوية الفوتوليكية البوليمرات السلوكية أو الجزيئات العضوية الصغيرة كطبقة نشطة، وهي خفيفة للغاية ومرنة للغاية ويمكن تصنيعها عن طريق تقنيات الطباعة، وتتراوح الكفاءة الحالية بين 10 و12 في المائة للخلايا المختبرية، وتخفض بالنسبة للوحدات، ولكن OPV توفر الوعود بألواح منخفضة التكلفة ومصممة خصيصاً يمكن إدماجها في الملابس أو التغليف.

المواد الفرعية: العمود الفقري المرن

وتقدم الشركة الفرعية للفريق دعمها الميكانيكي وتحدد قدرا كبيرا من مرونة وزنها، فالحد الأعلى الفرعي ضعيف، وضئيل، ومرن، ومستقر حراريا أثناء التصنيع، ومقاومة الرطوبة والمواد الكيميائية، وتشمل المواد الفرعية المشتركة أفلاما متعددة الزمر، وزجاجا مرنا، وضباب معدني.

الأفلام المتعددة

والأفلام البوليمرة هي أكثر المجموعات الفرعية استخداماً في الألواح الشمسية المرنة بسبب انخفاض تكلفتها، وقلة وزنها، وارتفاع المرونة، وتشمل أكثرها شيوعاً فروع البوليمرات:

• Polyethylene Terephthalate (PET): ] PET is a low-cost, transparent film that offers adequate flexibility and chemical resistance. It is used in low-power applications such as a-Si panels and some OPV designs. However, PET has limited thermal stability (typical use below 120°C) and moderate UV resistance, which may affect.
• Polyethylene Naphthalate (PEN): ] PEN offers better thermal stability (up to 180°C) and improved barrier properties compared to PET. It is a common substrate for CIGS and CdTe cells deposited at moderate temperatures. PEN films have slightly lower flexibility than PET but are suitable for many portable and building-intrated applications.
• (ب) إن أفلام بوليميد، مثل كابتون، معروفة بالاستقرار الحراري الاستثنائي (حتى 400 درجة مئوية) والخواص الميكانيكية الممتازة، وكثيراً ما تستخدم في لوحات عالية الأداء من مركبات الكربون المحتوية على درجات حرارة عالية، كما أن البوليميد أكثر تكلفة من درجة حرارة PET أو PEN، ولكن يمكن أن يُستخدم في نطاق أوسع.
• Polytetrafluoroethylene (PTFE) and other fluoropolymers:] These films offer superior chemical resistance and low surface energy, making them useful for special applications requiring non-stick or self-cleaning surfaces.

Glas المرنة

فالزجاج المرن، الذي يُقدم عن طريق تضخيم الزجاج التقليدي إلى 100 ميكروميتر، يجمع بين الشفافية ومقاومة الخدش وخواص الزجاج ذات درجة من القابلية للذوبان، حيث أن العصائر الزجاجية الويلية والزجاج فوق القشرة هي أمثلة، حيث أن البقع الزجاجية المرنة توفر استقراراً حرارياً أكبر من البوليمرات وتوفر أداء ممتازاً للرطوبة والأكسجين.

فولا المميت

وتُستخدم فتيلات الفولاذ واللاتينيوم غير المحتوية على اللص في إطار عمليات الترسبات ذات الرش النحيل العالية الحرارة (مثلاً، CIGS و a-Si) وتُستخدم الفواكه المعدنية في شكل قسوة، وتُجري الحرارة والكهرباء، ويمكن أن تكون رقيقة جداً (منخفضة إلى 25 ميكروغرام) وهي توفر قدرة ميكانيكية ممتازة ويمكن معالجتها عند درجات حرارة عالية.

المقتطفات والمصابون بالحماية

(ج) أن تكون الكبسولات مصفوفة متماسكة وحمائية تحيط الخلايا الفولطية، وتعزلها عن الرطوبة والأكسجين والإجهاد الميكانيكي، ويجب أن تكون صحيفة الجبهات (الطبقة العلوية) شفافة للغاية للسماح بإرسال الضوء، بينما يمكن أن تكون صحيفة الواجهة (إذا انفصلت) غير صالحة، ويجب أن تظل المواد الكتفية مرنة بعد التصفير، وأن تتقيد جيداً بالخلاياب، وأن تقاوم تحلل والتدهور.

Ethylene Vinyl Acetate (EVA)

إن الإيفا هي أكثر الكبسولات شيوعا في الصناعة الشمسية، التي تستخدم على نطاق واسع في كل من الألواح المرنة والمرنة، وهي جهاز تناقل يتحول إلى ترابط بين عملية التطهير، ويشكل رابطاً دائماً وشفافاً، ويوفر هذا النوع من الفمفيتامينات مقاومة جيدة، منخفضة التكلفة ومقبولة للأشعة فوق البنفسجية عند صياغتها على النحو الصحيح، أما بالنسبة للألوحات المرنة، فيمكن استخدامهيدات المتواضعة في إطار الزوال.

Thermoplastic Polyolefin (TPO) and Polyolefin Elastomers (POE)

ويكتسب الكبسولات البوليفية، مثل المواد التي تستخدم البوليفين، شعبية لأنها توفر خصائص حاجز رطبة أفضل ومقاومة أعلى من مستوى الأشعة فوق البنفسجية من EVA، وهي أقل عرضة للصفر ولا تطلق حمضاً للسكر (كما يمكن لـ EVA) وتناسب بشكل خاص الألواح المرنة التي ستتعرض لظروف خارجية قاسية، وخيار آخر يوفر منافع مماثلة ويمكن استخدامه في ضوء الوزن.

سيليكونز وFluoropolymer Frontsheets

أما بالنسبة للألواح المرنة ذات الأداء العالي، فإن السيليكونات تستخدم كبش فداء بسبب استقرارها الاستثنائي في المركبات، ومرونة في درجات حرارة منخفضة، وشفافية عالية، كما أن كبش فداء السيليكون أكثر تكلفة من EVA أو POE، ولكنها كثيرا ما تستخدم في منتجات المركبات ذاتية الدفع البوليفي، وهي صفائح مقاومات مصممة للخلايا الفلورية (مثلا، طبقة الإيثيلين)

مقارنات الحاجز وصحائف الظهر

وتتطلب الأفرقة المرنة طبقات فعالة للرطوبة والحواجز الأكسجينية لمنع التدهور - خاصة بالنسبة للتكنولوجيات الحساسة مثل البروفسكيت أو الخلايا العضوية - ويمكن أن تحقق الأفلام الحاجزية العابرة للحدود، التي كثيرا ما تستند إلى طبقات متعددة من المواد العضوية وغير العضوية (مثل أكسيد السيليكون أو أكسيد الألمنيوم المودع على البوليمر) معدلات منخفضة للغاية لنقل البخار المائي.

العوامل الرئيسية في المواد المختارة للفرق الشمسية المرنة

وعند تصميم أو اختيار فريق شمسي مرن، تسترشد عدة عوامل مترابطة بخيارات المواد، وتتوقف أولوية كل عامل على التطبيق المقصود.

المرونة وخدمة راديوس

أما الحد الأدنى من نطاق الوصايا - أي مدى ضيق يمكن أن ينحني الفريق دون خلايا مخترقة أو تطهير - فهو قيد أولي، ويمكن أن تنحني خلايا من الفلول المحتوية على مواسير متعددة البوليمر إلى نصف قطرها ٥-١٠ مم، بينما تكون الألواح الموجودة على الزجاج المرن أو الأعلاف المعدنية ذات نطاق أدنى أكبر، ويجب أن تظل الطبقات الكترونية ذات الكبريتات العالية غير سليمة.

كفاءة التحويل

ويُقصد بزيادة الكفاءة زيادة القدرة على كل منطقة من مناطق الوحدة، حيث توفر هذه التكنولوجيات وأفضل أوجه الكفاءة فيما بين تكنولوجيات الرش الناضجة، بينما تكون أقل، وتُعد المزمار كفاءة عالية ولكنها لا تزال آخذة في الظهور، ويؤثر اختيار تكنولوجيا الخلايا الفولطية تأثيرا مباشرا على المنطقة اللازمة لتحقيق ناتج معين من الطاقة، مما يؤثر على تصميم النظام وتكلفته.

الدوام وتوقيت الحياة

وكثيرا ما تستخدم الألواح المرنة في بيئات متنقلة أو معرضة للخطر، ومن ثم فإن مقاومة الإشعاع فوق البنفسج، ودوافع الحرارة، والرطوبة، والإجهاد الميكانيكي، هي حرجة، والمواد ذات الاستقرار العالي في المركبات (مثلا، وقوائم البوليميد المرنة، وورقات الفلوروبيلمر، وأجهزة السك الحديدية) تمدد الحياة التشغيلية.

التكلفة والتصنيع

وتؤثر تكاليف المواد تأثيرا كبيرا على سعر الفريق النهائي. فاللوحات الفرعية لمحطة سي آي و PET هي أرخص وأقل كفاءة، أما شركة CIGS المعنية ببوليميد فهي أكثر تكلفة ولكنها تقدم أداء أفضل.

الوزن والتنقل

ومن المزايا الرئيسية لللوحات المرنة انخفاض وزنها، حيث تبلغ وزن اللوحة المرنة النموذجية التي تزنها الخماسية البوليمرية حوالي 0.3 إلى 0.5 كغم/م2، مقارنة بـ 1 إلى 2 كغم/م2 بالنسبة للألوان الصلبة، وبالنسبة للتخييم، أو التغليف بالخلف، أو تطبيقات الطائرات بدون طيار، فإن الخيار الفرعي هو أكبر عوامل الوزن:

الأداء الوظيفي

وتعاني خلايا الرش من درجة حرارة أقل عموما من السيليكون البلوري، مما يعني أنها تفقد قدرا أقل من الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة، فعلى سبيل المثال، توجد معامل حرارة بين 0.2 و0.3 في المائة/س، بينما تبلغ نسبة السيليكون البلوري حوالي 0.4 في المائة/س. وهذا يجعل الألواح المرنة مفيدة في المناخات الساخنة أو على السطحات التي ترتفع الحرارة، مثل أسطح الكبسولات.

الاختطاف الخفيف وذوي الحيتان المنخفض

وكثيرا ما تنشر الألواح المرنة في ظروف غير إيقاعية - على حقيبة ظهر محملة بعيدا عن الشمس أو تحت ظل جزئي أو داخلها، وتؤدي CdTe and CIGS أداء أفضل في ضوء منخفض من السيليكون الكريستالي نظرا لضمها المباشر وردها على الطيف الجيد.

المواد الابتكارية والاتجاهات المستقبلية

وتدفع البحوث في المواد المتقدمة باستمرار حدود الأداء المرن للفرق الشمسية، وتشمل بعض التطورات الجديرة بالذكر ما يلي:

• Graphene and carbon nanotubes:] These materials are being investigated as transparent conductive electrodes to replace indium tin oxide (ITO), which is brittle and expensive. Graphene offers high conductivity, flexibility, and transparency, making it ideal for flexible front contacts.
• Quantum dot solar cells:] Nanocrystals of semiconductors (e.g., lead sulfide) can be tuned to absorb different wavelengths, potentially enabling multi-junction flexible cells with higher efficiency.
• Flexible encapsulation withtom layer deposition (ALD):] ALD can deposit ultra-thin, binhole-free layers of metal oxides (e.g., Al2O3) on polymer substrates, providing exceptional barrier properties against moisture and oxygen. This enables the use of sensitive materials like perovski in flexible.
• Biodegradable substrates:] For disposable or short-life applications, researchers are developing flexible substrates from cellulose nanocrystals or polylactic acid (PLA). These could reduce electronic waste but currently offer limited durability.
• Self-healing encapsulants:] Materials that can repair micro-cracks afterميكانيكي stress are being developed to extend the lifetime of flexible panels in high-vibration environments.

مؤسسات البحوث الخارجية مثل مختبر الطاقة المتجددة الوطني ومعهد فراونهوفر لنظم الطاقة الشمسية هي في مقدمة هذه الابتكارات. NREL's photovoltaic research programs[FL:1]] توفر بيانات واسعة النطاق عن تكنولوجيات التصفية السريعة الناشئة.

المواد المختارة للتطبيقات المحددة

وتختلف التركيبة القصوى للمواد اختلافاً واسعاً حسب حالة الاستخدام، فيما يلي سيناريوهات نموذجية وملامح مادية موصى بها.

أجهزة إلكترونية محمولة للمستهلكين ومعسكرات

وبالنسبة للشحنات المحمولة ذات العجلات الخفيفة، فإن التكلفة والوزن هي الأولى، إذ توجد خلايا من نوع " سي " على طبقة فرعية من طراز PET، وهي مجهزة بـ " EVA " ، وتواجهها أكفاية بسيطة من أفلام البوليمر المقاومة للمركبات، وتكون الكفاءة ثانوية لتحمل التكاليف وقابلية الاحتضان، وبالنسبة للرحلات الأطول التي تنطوي على كثافة في الطاقة، فإن " CIGS " تقدم على زيادة في شكلها، مع ارتفاع الكفاءة في شكلها.

المطوّرات الفولطية المدمجة للمبنى (BIPV)

ويحتاج المشروع إلى أفرقة تضاهي أسطح أو أكواد، مع توفير الكفاءة اللائقة والفترة الزمنية البالغة 20-30 سنة، وكثيرا ما يتم اختيار مجموعات الزجاج المرنة التي تحتوي على خلايا CdTe أو CIGS لدواميتها وظهورها الموحد، كما أن الكبسولات التي تحتوي على POE أو سيليكون وورشة أمامية من ETFE أو الزجاج المرن تكفل مقاومة الطقس على المدى الطويل.

المركبات الجوية والمركبات الجوية غير المأهولة

وفي مجال تطبيقات الفضاء أو ارتفاع درجة الحرارة، تتسم مقاومة الوزن والإشعاعات بأهمية حاسمة، إذ أن البوليميد يُضم خلايا CIGS وأجهزة السليكون هي منتشرة، ويمكن أيضا استخدام مهبطات الرغاوي المعدنية لتحلل الحرارة بشكل معزز، ويجب أن تكون لصحيفة الجبهة شفافية عالية بالنسبة للمركبات فوق البنفسجية وأن تكون الحد الأدنى من التفوق، لأن كل وعاء من الطاقة الكهربائية يقلل من الكتلة الفضائية.

التطبيقات الآلية والبحرية

ويجب أن تصمد الألواح الشمسية المدمجة في المركبات (مثلاً على أسطح السيارات أو أسطح السفن) أمام اليقظة، ودرجات الحرارة القصوى، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، كما أن المواد الفرعية مثل الصلبة اللاصقة أو الزجاج المرن توفر القدرة، كما أن القدرة على التكتل بالسيليكون أو بوابل الأشعة فوق البنفسجية، وورقة مقدمة من قوة الدفع المقاوم للصدمات أو المواد الهجينة العالية تساعد على البقاء

التكنولوجيا القابلة للزراعة

أما بالنسبة للمفاتن الذكية، فإن أجهزة تعقب اللياقة، أو الملابس الذكية، والمرونة، والوزن المنخفض، لا يمكن التفاوض بشأنها، ويجب أن تكون هذه اللوحة قابلة للغطاء، وربما قابلة للغسل، كما يجري تطوير مواد الفوتاتوغرافية العضوية على مخافر صغيرة من طراز PET، مع كبسولة رقيقة وأجهزة لتزويد النسيج الواقية، كما أن الكفاءة أقل أهمية لأن متطلبات الطاقة صغيرة، ولكن ينبغي أن تتسامح الفريق مع تكرار الإقراض والتعبئة.

خاتمة

ويتطلب اختيار أفضل المواد اللازمة لللوحات الشمسية المرنة تحقيق التوازن بين الأداء الكهربائي والسلوك الميكانيكي والمقاومة البيئية والتكاليف، كما أن أفضل التكنولوجيات التي تُستخدم في المرشات العالية - في سي، وفي كل من CdTe، و CIGS - يُعرضان مبادلات متميزة، حيث تؤدي هذه النظم حالياً إلى الكفاءة والمرونة، كما أن الازدجاج المرن يتيحان تجهيزاً عالياً وحياة طويلة، بينما تخفض تكاليفها.

ومع توسع سوق الفول المتطور المرن، فإن المواد الناشئة مثل المزلاجات العضوية وشبه الموصلات العضوية، وملفات الحاجز المتقدمة ستزيد من توسيع الحيز المخصص للتصميم، وينبغي للمهندسين ومصممي المنتجات أن يقيّموا الاحتياجات المحددة من نطاقات الطاقة التي يُمكن تطبيقها، والعمر المتوقع، وميزانية الوزن، والتعرض البيئي، وأن يختاروا كومة مادية تلبي تلك الاحتياجات دون أن يُعمد الصرامة.