The Great Energy Transition: Rethinking Solar Cell Materials

إن شهية الكهرباء النظيفة العالمية لم تكن أقوى من أي وقت مضى، فالفولطية الشمسية تمثل الآن أحد أسرع مصادر الطاقة الجديدة نموا في العالم، مدفوعا بنقصان تكاليف النظام والسياسات الداعمة، ومع ذلك فإن اللوحة الشمسية التي تشتريها اليوم تستخدم أساسا نفس المواد النشطة؛ والفولاذ البلوري؛ وهيمنة الصناعة على أكثر من أربعة عقود.

وتتجاوز هذه المادة جدولاً مقارناً بسيطاً لدراسة المفاضلات الهندسية الحقيقية، والاختراقات التي تدفع كل تكنولوجيا إلى الأمام، والنُهج الهجينة التي قد تجمع في نهاية المطاف بين أفضل العالمين.

Crystalline Silicon: The Incumbent Workhorse

وقد استفادت خلايا السيليكون الشمسية من حوالي 60 سنة من البحوث التراكمية و تريليونات الدولارات من الاستثمار في الصناعة التحويلية، ونتيجة لذلك هي تكنولوجيا مفهومة على مستوى أساسي، ومصنّعة على نطاق هائل، وموثوقة بالعمل في الميدان لمدة تتراوح بين 25 و 30 سنة مع الحد الأدنى من التدهور، ولا يمكن لأي تكنولوجيا أخرى من المواد الفولطية أن تضاهي سجل المسار.

Monocrystalline vs. Polycrystalline: A Mature Taxonomy

وقد توحدت سوق السيليكون إلى حد كبير حول خلايا الكريستال الأحادية التي تُقطع من بلور واحد، وهذه الخلايا لها مظهر مظلم موحد تحقق كفاءة مختبرية تفوق 26 في المائة، حيث تُنتج نماذج تجارية عادة 20 وحدة من طراز " أوكوندوشناش " (22).

خياطة الكفاءة والحدود العملية

أما الحد الأقصى النظري للكلية الشمسية المنفردة المنفردة فيتعلق بمنطقة شوكلي - كويسر، إذ بلغت نسبة الـ 29.4 في المائة تقريباً بالنسبة لفرقة من فئة 1.1 خلية من طراز eV. وقد بلغت الخلايا التجارية بالفعل نحو 27 في المائة في المختبر، مما يترك مجالاً ضئيلاً لمزيد من التحسين، وما زالت المكاسب الإضافية ممكنة من خلال تحسين عملية العبور، وانخفاض خسائر إعادة التجميع، وتحسين معدل التهدئة الاتصال، ولكن كل جزء من التكاليف الأخيرة.

وهناك أيضاً قيد عملي يتصل بالحرارة، حيث تفقد خلايا السيليكون الكفاءة في ارتفاع حرارتها، حيث تبلغ عادة نحو 0.4 في المائة لكل درجة مئوية فوق 25 درجة مئوية؛ جيم. وفي المناخ الساخن، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة 65 درجة مئوية؛ جيم في يوم مشمس، تخفيض ناتج الطاقة الفعلي بمقدار 15 بنداً؛ 20 في المائة مقارنة بتقدير التسمية، وهذا معامل الحرارة عامل هام في تصميم النظم ونموذج توليد الطاقة.

Manufacturing Energy Payback and Environmental Footprint

وتتطلب عملية سيمينز التي تحول السليكون من درجة الميض إلى البوليسيليكون من الدرجة الإلكترونية، وتستهلك ما يقرب من 50 منديلاً؛ و70 كيلوه لكل كيلو غرام من السيليكون، وبالنسبة لنموذج نموذجي من 300 وات، فإن وقت استعادة الطاقة هو بشأن مواد كيميائية أخرى مستهلكة؛ و2 سنوات في مواقع حقيقية جيدة.

ورغم هذه الشواغل، لا يزال السيليكون أكثر المواد الشمسية التي تم فحصها بيئياً، وتتطور البنية الأساسية لإعادة تدويرها للوحات السيليكون في نهاية العمر بسرعة، حيث تستعيد شركات مثل SolarCycle في الولايات المتحدة ما يزيد على 95 في المائة من الكتلة المادية من الألواح الملغومة.

نضج سلسلة الإمدادات والتركيز الجغرافي السياسي

وتخضع سلسلة الإمداد بالسيلكون للعولمة ولكنها مركزة، وتسيطر الصين على 80 في المائة من القدرة العالمية لإنتاج البوليسيليكون، بل ونصيب أكبر من صناعة الغوغاء والوافير، مما يُحدث مخاطر على الأسواق التي تسعى إلى تحقيق تنوع في الإمدادات، وقد أبرزت الوكالة الدولية للطاقة ضعف سلاسل الإمداد بالفولطام الضوئي بالطاقة الشمسية في حالات التعطل، ولا سيما بالنسبة للبوليسيليكون واليوران.

وتبذل جهود لبناء الصناعة الشمسية خارج الصين في الهند والولايات المتحدة وأوروبا، ولكنها تواجه تكاليف رأسمالية عالية وغطاء تعليمي حاد، وتحتاج فطائر السيليكون إلى بلايين من الدولارات من الاستثمار وإلى سنوات للوصول إلى القدرة الإنتاجية الكاملة.

Perovskites: The Rapidly Maturing Challenger

وقد ارتفعت الخلايا الشمسية ذات السمعة البلورية لثاني أكسيد الكالسيوم (CaTiO3) من فضول مختبري إلى مرشح جاد للشمس التجارية خلال أكثر من عقد فقط، وقد تجاوزت الخلية الشمسية الأولى المطلية على المحيط الهادئ، التي أُبلغ عنها في عام 2009، كفاءة قدرها 3.8 في المائة.

لماذا (بيروفسكيتس) مختلف

والمزايا الرئيسية للمربى تكمن في خصائصها السمعية، إذ أن لديها معاملاً عالياً للاستيعاب، مما يعني أن الفيلم فقط بضع مئات من الناموسومات السميكة يمكن أن يلتقط نفس كمية الضوء التي تُعدّها خلايا السيليكون التي هي أكثر سمكاً، كما أن لديها مجموعة من الضمادات التي تتيح للباحثين أن يتقنوا المواد الخاصة بأجزاء مختلفة من الطيف الشمسي.

ويمكن إيداع أفلام بيروفسكيت باستخدام أساليب مرتكزة على الحل مثل التكديس الشوكي أو التغليف بالزمن أو طباعة القاحلة، تليها معالجة منخفضة الحرارة، مما يزيل الحاجة إلى العمليات ذات الطابع العالي، التي تقوم على فراغ والتي تستخدم في صنع السيليكون، ويمكن نظريا إنتاج وحدة للمزمار في مصنع يشبه صحافة الطباعة أكثر من كونها موصلا شبه مقصا.

الاستقرار: التحدي المحدد

إن كعب الأخيل من المزمار كان دائماً مستقراً، فالأجهزة المبكرة ستتحلل في غضون دقائق عندما تتعرض للرطوبة أو الحرارة أو النسيج المستمر، كان التقدم كبيراً، ولكن المجال لم يضاهي بعد مع السليكون، والتركيب الكلاسيكي للمسدسين المائيين، واليود الرصاصي في ميثيلامونيوم (MAPbI 85[FLT:

وقد ظهرت ثلاث استراتيجيات لمعالجة الاستقرار، الأولى هي هندسة التكوين: الاستعاضة عن مركب الميثامونيوم العضوي بمزيج من التكوينات والسيزيوم لإنشاء مجموعة بلورات أكثر قوة، والثانية هي الكبسولة: استخدام أفلام الحاجز الخفيف من القدرة على التحمل لعزل البروفسكي من البيئة، أما الثالثة فهي اختلال في التبريد: إضافة كميات صغيرة من المزادات العضوية أو البوليمرات.

ويتتبع مختبر الطاقة المتجددة الوطني أوجه الكفاءة في الخلايا المصدق عليها، وقد وثق التقدم السريع في أجهزة البروفسكيت، وتطالب عدة شركات الآن بحياة تشغيلية تبلغ 000 10 ساعة أو أكثر في إطار اختبار معجل، مما يترجم إلى عقد من العمليات في العالم الحقيقي تقريبا، ولا يزال ذلك أقل من الضمان الذي يميز نماذج الفرن الضيقة التي تبلغ 25 عاما، ولكن الفجوة في هذا الصدد.

القواعد التنظيمية الرئيسية للمحتوى والبيئة

ومعظم الخلايا الشمسية ذات الأداء العالي تحتوي على الرصاص، وهو خطر بيئي محتمل، وحجم الرصاص في وحدة البروفسكيت صغير نسبيا؛ وحوالي 0.4 غرام لكل متر مربع، مقارنة بعدد من غرامات الرصاص في مبيع نموذجي في وحدة سيليكون، ومع ذلك، فإن وجود عنصر سام في الماء حليب في منتج مصمم حتى 25 سنة في الظروف الخارجية قد أثار شواغل تنظيمية.

ويستكشف الباحثون بدائل خالية من الرصاص مثل المزمار المحتوي على القصدير والمربوط، ولكن هذه البدائل قد تعثرت حتى الآن في الكفاءة والاستقرار، وقد يكون اتباع نهج عملي أكثر هو وضع بروتوكولات قوية للتصنيع وإعادة التدوير تمنع دخول البيئة، ويعفي التوجيه الصادر عن الاتحاد الأوروبي بشأن تقييد المواد الخطرة حالياً الألواح الشمسية من القيود المفروضة على الرصاص، ولكن هذا النهج يمكن أن يتغير كمنتجات للتشغيل التجاري.

الصناعة التحويلية: من المختبر إلى الفاب

The leap fromCirc-coating millimeter-scale devices in a lockbox to coating square-meter modules on a roll-to-roll line is immense. Early efforts to scale up perovskite manufacturing have revealed challenges with film uniformity, fathole formation, and material waste. Companies like Oxford PV in the UK and

ومن المسائل الحاسمة أن تستخدم أجهزة الدوام العالي الكفاءة كومة معقدة تصل إلى ستة أو أكثر من الطبقات الخفيفة، ويجب أن يوضع كل منها بدقة عالية على منطقة كبيرة، وأن أي عيب في أي طبقة يمكن أن يخلق مساراً مشرقاً يقتل أداء الخلية بأكملها، والإدارة على نطاق واسع مشكلة هندسية غير ضارية.

خلايا تانديم: الطريق الهجين إلى الأمام

وبدلا من مسابقة الفائزين في جميع الحالات، فإن المستقبل القريب الأكثر واعدة ينطوي على مواد تعمل معا، وفي زنزانة تاندام، توجد خلية من أعلى المزلاجات ذات مجموعة واسعة من الصور الفوتوغرافية ذات الطاقة العالية، بينما تلتقط خلية من السليكون الصور ذات الطاقة المنخفضة التي تمر عبر طبقة البروفسكيت، ويمكن أن يتجاوز هذا النهج المكونين نظريا الحد الأقصى للشوكلي - كويسير.

كفاءة السجلات والخطوط الزمنية التجارية

وفي عام 2024، حقق برنامج Oxford PV كفاءة مصدق عليها بنسبة 28.6 في المائة بالنسبة لخلية من خلية التوابل بين المحيطين، وأبلغت عدة مجموعات أخرى عن قيم تفوق 27 في المائة، أما الحد العملي لقطعة من الشباك على مرحلتين، فهو حوالي 42 في المائة، وبالتالي فإن هناك قاعة كبيرة للتحسين. Fraunhofer ISE([1])

إن اقتصاد التوابل مُلح، إذ أن وحدة الترادف التي تنتج 30 في المائة من الطاقة الكهربائية لكل منطقة من مناطق الوحدة أكثر من وحدة سيليكون يمكن أن تبرر ارتفاع تكلفة التصنيع لأنها تقلل من عدد الوحدات، والربط، والأسلاك، والأراضي اللازمة لتركيب معين، وبالنسبة للمزارع الشمسية ذات النطاق الكمالي، حيث تكون تكاليف موازين النظام كبيرة، يمكن استيعاب أقساط الوحدات التنموية بسهولة.

التحديات

وأبسط هيكل للثديين هو الخلية الوحيدة التي تُودع فيها الخلية العليا للمنحرفين مباشرة إلى الخلية السفلية للسيليكون، ويتطلب ذلك ملتقى نفق يربط بين المقتطفين الفرعيين بالكهرباء دون إدخال مقاومة كبيرة أو خسائر بصرية، كما يجب أن تنجو طبقة البروفسكيت من خطوات التجهيز اللاحقة، بما في ذلك وضع الأوكسيد السلوكية الشفافة.

وثمة نهج بديل هو الترسانة الرباعية الأجل، حيث تعمل كل خلية فرعية بشكل مستقل وتُجرى الاتصالات الكهربائية خارجيا، مما يزيل الحاجة إلى المطابقة الحالية بين الأجهزة الفرعية والصناعات البسيطة، ولكنه يتطلب أجهزة إلكترونية إضافية للطاقة وأسلاك أكثر تعقيدا، ويبدو أن معظم الجهود التجارية تركز على الهيكل الثنائي الأجل، الذي هو أكثر انصافا وكلفة أقل على نطاق واسع.

سيناريوهات دينامية السوق والنشر

فالسوق العالمية للطاقة الشمسية واسعة النطاق ومجزأة، إذ تعطي المنشآت ذات النطاق العاتي الأولوية لتكلفة منخفضة لكل كيلوواط ساعة وموثوقية طويلة الأجل، وتضع أسطح المباني السكنية والتجارية أقساط على الاصطناعية والكفاءة لكل منطقة من مناطق الوحدة، وتتمتع التطبيقات الناشئة مثل الفول المدمج في البناء، والفولط الزرئي، ومركبات الفلطيف المدمجة بالكامل.

"مواهات سيليكون الدفاعية"

مزايا السيليكون ليست تقنية فحسب، إنها هيكلية، قاعدة التصنيع الحالية لمئات من الـ(غيغاوا) من الطاقة السنوية تمثل استثماراً متناقصاً من غير المحتمل أن يُشرّد بسرعة، وأسعار الوحدات قد انخفضت إلى حدود 0.10 دولار من دولارات الولايات المتحدة، و0.15 دولار لكل واط، وترك هامشاً رقيقاً جداً، وتقنية جديدة يجب أن تقدم تكلفة أقل بكثير (يتخيل متى تكون قيمة أعلى بكثير)

ولا تزال شركات صناعة السيليكون ثابتة، وأصبحت خلايا التليكون (الممرسة المتجاوزة للناقلات والمتصلة الخلفية) معيارية، كما أصبحت خلايا التبتون (الاتصال المتناثر بالأوكسيدات المتروكة) والهيدروك (الهيتروسكوب مع تركيبات طبقة رقيقة) تُدخل الآن في إنتاج الحجم، وتصمم هذه الخلايا المتقدمة النمو على نحو يحسن الكفاءة ويقلل من درجة الحرارة ويضيق الفجوة في الأداء التي قد تستغلها.

مسارات بيروفسكيت إلى التسويق

ولكي تنجح المزادات، يجب أن تدخل أولاً إلى الأسواق المتخصصة حيث تبرر خصائصها الفريدة أقساطها، إذ يمكن أن تؤدي وحدات المبردة والوزن الخفيف، مثلاً، إلى أجهزة استشعار باليوت، وشحنات محمولة، وإلى بناء واجهات تكون فيها وحدات السيليكون الزجاجية ثقيلة أو صلبة للغاية، ومع تزايد حجم الإنتاج وتحسن العائدات، ستنخفض التكاليف، مما يتيح الدخول إلى أسواق أكبر.

عدة بدايات تستهدف سوق تخزين الشمس المعززة بوحدات من طرازات البروفسكيت التي يمكن دمجها في خزانات البطاريات أو أسطح المركبات الكهربائية برنامج المعجلات التجارية من طراز بيروفسكيت التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة هو تمويل مشاريع تهدف إلى التحقق من موثوقية وحدات البروفسكيت في ظروف العالم الحقيقي، خطوة حاسمة نحو القابلية للصرف.

السياسات العامة والتنظيم

وستؤدي السياسات الحكومية دوراً رئيسياً في تشكيل مسار كل من التكنولوجيات، فالتعريفات ومتطلبات المحتوى المحلي تدفع الاستثمار في التصنيع الشمسي في الولايات المتحدة والهند وأوروبا، ويتضمن قانون الحد من التضخم في الولايات المتحدة ائتماناً بنسبة 10 في المائة من العلاوات للنماذج التي تُصنع بمحتوى محلي، مما يمكن أن يعجل بنشر منصات البروفسكيت المنتجة محلياً.

هيمنة الصين في صناعة السيليكون أيضاً تخلق فتحة للبلدان التي تريد بناء صناعة شمسية مختلفة حول المزمار

مشهد: مخرج المواد الشمسية في عام 2035

إن فرض مستقبل أي تكنولوجيا أمر خطير، ولكن بعض النقاط اللامعة واضحة، وسيظل السيليكون المواد الشمسية المهيمنة على العقد القادم على الأقل لمجرد أن القاعدة المركبتين وزخم التصنيع، ومن المرجح أن تدخل خلايا التانديم الإنتاج التجاري في غضون السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة، حيث ستستوعب في البداية الجزء المتعلق بكفاءة أقساط السوق.

وقد تحقق نماذج البروفسكية النقية نجاحا في التطبيقات التي تكون فيها المرونة أو الوزن أو الاصطناعية أكثر من التكلفة المطلقة لكل واط، وستستمر أوجه التقدم في التكديس والتسريب في تمديد العمر التشغيلي، كما أن الضغط التنظيمي على المحتوى الرائد سيحل إما من خلال البنية التحتية لإعادة التدوير أو من خلال استحداث بدائل قابلة للبقاء خالية من الرصاص.

وأهم عامل هو ما يربحه المواد، ولكن معدل الابتكار في المواد الخلوية الشمسية آخذ في التسارع، إذ إن التحول من تكنولوجيا واحدة مهيمنة إلى مجموعة متنوعة من المواد شبه الموصلية سيسمح للطاقة الشمسية بدخول الأسواق التي يصعب خدمتها حاليا، مما سيزيد من التعجيل بالانتقال إلى نظام كهرباء صفري الكربون.