الطاقة الشمسية في مفترق الطرق: ثورة تانديم

إن الدافع العالمي نحو انبعاثات الغازات الصافية قد وضع الطاقة الشمسية في مركز استراتيجية الطاقة المتجددة في العالم، ووفقاً لوكالة الطاقة الدولية، فإن إضافات الطاقة الكهربائية الشمسية قد زادت بشكل هائل خلال العقد الماضي، مدفوعاً بتخفيضات كبيرة في الطيف في التصنيع والتركيب، ومع ذلك، فإن الخلايا الشمسية التقليدية التي تخترق سقفها الأساسي.

ما هي تقنيات خلايا تانديم؟

خلايا الطاقة الشمسية التي يُشار إليها أيضاً بـ خلايا متعددة الزوايا، وتركيب طبقة أو أكثر من طبقة ممتصات فولطية ضوئية على بعضها البعض، وكل طبقة مصممة لاستيعاب جزء محدد من الطيف الشمسي، وتحويل الصور على مستويات مختلفة من الطاقة إلى تيارات كهربائية، وفي خلية واحدة، تُنتج الصور التي تقل فيها الطاقة عن نطاق الصنع دون أن تُستوعب

The Physics Behind Tandem Architectures

الخلايا ذات التوابل العالية تُنتج بشكلٍ مختصر، و تُنتجُ خلايا التنافر الكهربائيّة ذات الصلّة العالية بشكلٍ مُختصّ، و تُنتجُ هذه السلاسلِ المغناطيسيةِ المُتَصَدِّرةِ، و التي تُعَرِفُ أعلىَ الكفاءةِ، و تُمَسْتَمَعُهاُ أكثرَاًاًاً

جمعيات المواد التي تبث الابتكار

وتجمع بين النسيج المتطور وأجهزة التكتل الحرارية التي تُستخدم في إنتاج المواد ذات القدرة على إحداث الاحتياطات، ونسبة الارتفاع في المفاعلات، ونسبة الارتقاء التي تُستخدم في إنتاجها، ونسبة الـ 33 في المائة من المواد ذات القدرة على إحداث الاحتياطات، ونسبة الارتقاء التي تُستخدم في إنتاج المواد ذات الصبغة الشمسية، ونسبة التراكمية القصوى

مزايا تكنولوجيا خلايا تانديم

والميزة الأساسية لخلايا التكدس هي: تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء أكثر من الخلايا التقليدية، غير أن الفوائد العملية تتجاوز كثيرا عدد الكفاءة الذي يطبع على ورقة بيانات، ويترجم ارتفاع الكفاءة مباشرة إلى انخفاض تكاليف موازين النظام، لأن عددا أقل من الألواح، وقلة المعدات المتطورة، وقصر أسعار الأسلاك، كثيرا ما تؤدي إلى تحقيق ناتج معين من إنتاج الطاقة الشمسية.

أجهزة اتصال فعالة

%وإنّه في عام 2015، فإنّه قد حقق أفضل التقنيات في (العملية) في (هيلمهولتز-زنتروم)، و(برلين) نسبة 33.3 في المائة من الأدوات المتطورة

الفوائد الاقتصادية عبر سلسلة القيمة

أما الحالة الاقتصادية لخلايا التندوم فهي مبنية على أساس مقياس بسيط للخنزير الواحد لكل دولار، ومع أن خلايا التوندي أكثر تعقيداً وتكلفة لتصنيعها من خلايا السيليكون الموحدة، فإن ارتفاع كفاءتها يمكن أن يعوض هذه الزيادة من خلال آليات متعددة، أولاً، أن زيادة الكفاءة يمكن أن تقلل من عدد الوحدات المطلوبة لحجم نظام معين، مما يقلل من تكلفة الرفوف، والزات، والزات، والزب، والزبوط، وغير ذلك.

الأداء في الظروف الحقيقية في العالم

وتُجرى قياسات كفاءة المختبرات في ظروف موحَّدة للغاية، ولكن المنشآت الشمسية في العالم الحقيقي تواجه بيئة أكثر صعوبة، وتوفر خلايا التانديم فوائد ملموسة في هذا السياق لأن هيكلها المتعدد المستويات يوفر قدرة أكبر على التغيُّر الطفيف، وعندما تكون الشمس منخفضة في الأفق في الصباح أو المساء، فإن نماذج الطاقة الشمسية تتحول إلى مستويات أطول من الموجات، مما يقلل من إنتاج الخلايا السائلية التقليدية.

التحديات التي تواجه خلايا تانديم الشمسية

وعلى الرغم من وعدها غير العادي، فإن الخلايا الاصطناعية تواجه عقبات هائلة يجب التغلب عليها قبل أن تتمكن من تحقيق اعتماد تجاري واسع النطاق، وتتصل أهم التحديات باستقرار المواد، وقابلية التصنيع، والقدرة على المنافسة في التكاليف، وتتطلب معالجة هذه المسائل بذل جهود منسقة عبر علوم المواد، وهندسة العمليات، وتصميم المنتجات، فضلا عن الاستثمار المستمر من وكالات البحوث العامة والصناعة الخاصة على السواء، ويفضي الطريق من جهاز مختبري يُعد سجلاً إلى منتج موثوق يمكن أن يعمل لمدة 25 عاماً في الميدان، ويُبرر إمكانية القيام به.

الاستقرار المادي والاستمرارية

إن كعب الخيوط من خلايا التانديون المحتوية على البروفكات، قد كان حساسيتها للرطوبة والأكسجين والحرارة والتعرض للضوء المطول،

التصنيع

وتطرح خلايا التكدس الاصطناعي على نطاق واسع تحديات كبيرة في مجال التصنيع، إذ أن صناعة الخلايا الشمسية هي صناعة ناضجة وواسعة التفاؤل مع عمليات ومعدات موحدة، وتحتاج خلايا التانديم إلى خطوات إضافية في مجال إنتاج الخلايا الرئيسية، فضلا عن المواءمة الدقيقة بين مستويات التحلل الحراري وترابطها فيما بين طبقات الاختزال، كما أن أساليب التحلل الارتقاء التي تُعد في المختبرات ذات النسق العالي.

الحواجز المتعلقة بالتكاليف ودخول الأسواق

وحتى إذا ما تم حل التحديات التقنية، فإن خلايا التوندي يجب أن تتنافس على التكلفة مع نماذج النسيج التقليدية التي تبيع الآن بأقل من 0.20 دولار لكل وعاء، كما أن زيادة تعقيدات التصنيع وتكاليف المواد اللازمة لصناعة الأقساط، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة إنتاج المواد السائبة ذات الأسعار العالية، كما أن المواد التي تستخدمها شركات إنتاجية السائلة لا تزال غير مكلفة نسبيا بكميات صغيرة، ولكن تكلفة السلائف العالية النقاء على نطاقها، فضلا عن تكلفة معدات التخلاء.

البحث والتطوير

إن جهد البحث العالمي في مجال تكنولوجيات الخلايا المتوازية واسع ومتنام بسرعة، فالجامعات والمختبرات الوطنية ومراكز تكنولوجيا الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم تشارك في اكتشاف المواد الأساسية وفيزياء الأجهزة وهندسة العمليات، وتمتلك مبادرات التمويل الرئيسية، بما في ذلك برنامج هوريزون أوروبا التابع للاتحاد الأوروبي ومكتب تكنولوجيا الطاقة الشمسية التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة، موارد كبيرة للتعجيل بتطوير هياكل الخلايا.

Perovskite-Silicon Tandems: The Leading Contender

وقد اكتسبت عناصر الطاقة السائلة ذات السائل المنوي أكثر من غيرها من التكنولوجيات التي تستخدمها التوندي، وذلك لسبب وجيه، حيث اكتسبت هذه العناصر القدرة على استخدام البنية التحتية الحالية لصناعة السيليكون، التي تنتج بالفعل مئات من الجيليات من الخلايا الشمسية سنويا، مع إضافة خلية من أعلى الميثانات ذات السعة العالية نسبيا يمكن إيداعها باستخدام عمليات منخفضة الحرارة، ويمكن أن تُستخدم طبقة البيروفسكي في شكل صور فوت.

All-Perovskite Tandems: Flexibility and Low Cost

إن جميع أنواع التكتل المزودة بمواد مصغرة، والتي تُستخدم في تركيبات مصغرة، والتي تُستخدم في تركيبات مُصَلَّفة، وتُستخدم فيها جميع أنواع التكتلات المُصَدَّدة، وتُستخدم في تركيبات مُصَوَّرة، وتُعدُّ أكثر دقة، وتُسدَّد في جميع أنواع النسيجات السطحية، وتُ إلى مواد مُسَسَسَسَسَتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَتَتَتَة،

خلايا متعددة الجنسيات: أقصى قدر من الكفاءة في فترة ما قبل المرحلة

أما الموصلات شبه المركبة، بما في ذلك أرسينيدي الغاليوم والفوسفات في الصالة، فقد احتفظت منذ فترة طويلة بأعلى سجلات الكفاءة لأية تكنولوجيا فولطية، حيث أن هذه المواد قد تكون متداخلة مع نوعية الكريستالات القريبة من الأرض، وهي تستخدم تقنيات التراكم الميكانيكي ذات التكلفة العالية، وذلك من قبيل الأشعة الفوقية الجزيئية أو الأشعة المقطعية المحتوية على المعادن.

الطريق إلى التسويق

فالتحول من انجاز المختبرات إلى المنتج التجاري يكتنفه دائماً صعوبات، ولا تشكل خلايا التندوم استثناء، إلا أن الصناعة الشمسية لديها سجل قوي في مجال توسيع نطاق التكنولوجيات الجديدة، وتشير عدة عوامل إلى أن خلايا التونديم ستتبع مساراً مماثلاً، ومن المتوقع أن تكون أول منتجات تراكم تجارية متسارعة تشمل وحدات إنتاجية من طراز perovskite-iliconconconconconconect تستهدف الجزء المتعلق بحجم أعلى، حيث يمكن أن تكون أعلى كفاءة أعلى

خاتمة

فتقنيات خلايا التانديم تقف في حدود الابتكار للطاقة الشمسية، إذ إن هذه الأجهزة، من خلال تجميع طبقات متعددة من طبقة الضوء المرتدة إلى أقصى حد، يمكن أن تحقق كفاءة في مجال الطاقة، وهي عوامل لا يمكن أن تضاهيها، وتزيد من الفوائد المحتملة من حيث التكلفة، واستخدام الأراضي، وحصيلة الطاقة، بما يكفي لتبرير الجهود البحثية والهندسية الهامة الجارية حاليا.