خلايا الطاقة الشمسية الرقيقة.. الأفضل والأقل تكلفة المزيد في عالم التكنولوجيا

انخفضت تكاليف الألواح الشمسية على مدار السنوات القليلة الماضية، وهو ما أدى لارتفاع معدلات المنشآت الشمسية أكثر بكثير مما توقع معظم المحللين، ورغم صعوبة العثور على وسائل جديدة للتوفير في تكاليف الألواح الشمسية، إلا أن الباحثين في معهد “ماساتشوستس” للتكنولوجيا، وفي “المختبر الوطني للطاقة المتجددة” نجحوا في التوصل إلى طريقة مبتكرة لخفض تكاليف إنتاج الخلايا الشمسية؛ وذلك من خلال تقليص خلايا السيليكون نفسها.

وعلى الرغم من أنه سبق وتم اكتشاف خلايا السيليكون الرقيقة قبل نحو عشر سنوات، عندما كانت تكلفة تصنيعها _آنذاك_ مرتفعة في ظل نقص التمويل من الجهات المعنية، إلا أن عملية التصنيع واجهت العديد من الصعوبات الأخرى؛ حيث كانت رقائق السليكون رقيقة وهشة للغاية، كما كانت مستويات كفاءتها أقل؛ ما أدى إلى مستويات غير مقبولة من الخسائر أثناء عملية التصنيع.

وصرح الباحثون بأنهم نجحوا في ابتكار طرقٍ جديدة للبدء في مواجهة هذه التحديات، من خلال استخدام معدات معالجة أفضل وبعض التطورات الحديثة في هندسة الخلايا الشمسية، وسردوا تفاصيل تلك الطرق الجديدة ونتائجها في ورقة بمجلة “الطاقة والعلوم البيئية”، شارك في تأليفها “زهي ليو”، MIT postdoc، و”تونيو بوناسيزي”، أستاذ الهندسة الميكانيكية، وخمسة آخرين من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمختبر الوطني للطاقة المتجددة.

ووصف الباحثون نهجهم بأنه “اقتصادي تقني”، مشددين على أن الاعتبارات الاقتصادية في هذه المرحلة حاسمة مثل الاعتبارات التكنولوجية في تحقيق مزيد من التحسينات في القدرة على تحمل تكلفة الألواح الشمسية، كما أشاروا إلى أن نحو 90% من الألواح الشمسية في العالم حاليًا مصنوعة من السيليكون البلوري، وأن نمو صناعتها يرتفع بمعدل 30% سنويًا، وألقى الباحثون الضوء على قلب الألواح الشمسية التي تتكون من خلايا السيليكون الكهروضوئية الحالية، والتي يبلغ سمكها 160 ميكرون، ويرون أن بإمكانهم تقليص كمية السيليكون لربع الكمية التي تستخدم في اللوحة الشمسية؛ وذلك من خلال بعض أساليب المعالجة المحسّنة.

كما صرحوا بأن تلك بالإضافة لكونه يقلل من تكلفة اللوحات الفردية، إلا أن الأهم من ذلك أنه قد يسمح بالتوسع السريع في قدرة تصنيع الألواح الشمسية؛ نظرًا لأن هذا التوسع يمكن أن يكون مقيدًا بقيود مفروضة بمدى سرعة بناء مصانع جديدة لإنتاج سبائك السيليكون، والتي يتم بعد ذلك تقطيعها لشرائح مثل السلامي لصنع الرقاقات، وعادةً ما تكون تلك المصانع منفصلة عن مصانع تصنيع الخلايا الشمسية نفسها الأمر الذي يجعلها تستهلك وقتًا طويلًا، ما قد يؤدي للاختناق في معدل توسع إنتاج الألواح الشمسية، وبالتالي فإن تقليل سمك الرقاقة وفقًا لما أشار له الباحثون يمكن أن يخفف من تلك المشكلة.

وتناولت الدراسة مستويات الكفاءة لأربعة أشكال مختلفة من بنية الخلايا الشمسية، بما في ذلك خلايا PERC (باعث التخميل والاتصال الخلفي)، وغيرها من التقنيات المتقدمة عالية الكفاءة، ومقارنة مخرجاتها بمستويات سمك مختلفة، وأشار فريق الباحثين إلى أنه كان هناك في الواقع انخفاض طفيف في الأداء وصولًا إلى سمك يصل إلى 40 ميكرومتر، باستخدام عمليات التصنيع المحسنة اليوم.

وصرح “ليو” قائلًا: “إننا نرى من الرسوم البيانية للكفاءة مقابل السماكة، أن الكفاءة ثابتة لهذه المنطقة حيث تكون؛ لذلك فهذه هي المنطقة التي يمكن أن توفر فيها بعض المال”، وحول التطورات في بنية الخلية ذكر أن الوقت حان “لإعادة النظر في فوائد التكلفة”.

وتابع “ليو”: “إن عملية تغيير مصانع تصنيع الألواح الضخمة واستبدالها بتصنيع الرقاقات الرفيعة، عملية مكلفة للغاية، كما أنها ستستغرق وقتًا طويلًا، رغم أن التحاليل تؤكد أن الفوائد يمكن أن تفوق التكاليف بكثير”، مضيفًا “إن الأمر سيستغرق بعض الوقت لتطوير المعدات، والإجراءات اللازمة لتصنيع الرقائق الأرق، ومن السهل نسبيًا النزول إلى 100 ميكرومتر مع التكنولوجيا الحالية”، وهو ما سيوفر بالفعل بعض الأمور المهمة التي يمكن أن تساعد في إضافة بعض التحسينات بالتكنولوجيا، على سبيل المثال، الكشف عن تقليل السماكة أكثر بين الشقوق الصغيرة قبل نموها، مشيرًا إلى أنه يمكن أن يقل السُمك إلى 15 ميكرومتر مستقبلًا، كما يمكن أن تساعد التقنيات الجديدة التي تنتج الرقائق الرقيقة من بلورات السيليكون مباشرة بدلًا من تقطيعها من أسطوانة أكبر.

وقال: لا شك في أن الاهتمام بتطوير السيليكون الرقيق زاد في السنوات الأخيرة؛ خاصة عقب انخفاض سعره عن ذي قبل، وأدى انخفاض السعر بالفعل إلى زيادة كفاءة الخلايا الشمسية وأجزاء أخرى من عملية تصنيع الألواح الشمسية وسلسلة التوريد؛ لذا فإن تكلفة السيليكون تعد مرة أخرى عاملًا يمكن أن يحدث فرقًا.

وأشار “بوناسيزي” إلى أن “الكفاءة يمكن أن ترتفع فقط بنسبة قليلة، فإذا ما كنت ترغب في الحصول على مزيد من التحسينات، فإن السماكة هي السبيل”، لافتًا إلى أن التحويل سيتطلب استثمارات رأسمالية كبيرة لتعميمها على نطاق واسع، موضحًا أن الغرض من هذه الدراسة هو توفير خارطة طريق لأولئك الذين قد يخططون للتوسع في تقنيات تصنيع الطاقة الشمسية من خلال تحسين الرؤية وجعلها ملموسة؛ حيث تقدم الدراسة المساعدة للشركات لدمج ذلك في مخططاتها المستقبلية.

واستطرد “بوناسيزي” قائلاً: “إن تعاون اللاعبين الرئيسيين المختلفين في الصناعة قد يكون مطلوبًا؛ ليضعوا مجموعة محددة من الخطوات والمعايير المتفق عليها، كما فعلت صناعة الدوائر المتكاملة في وقت مبكر لتمكين النمو الهائل لتلك الصناعة، ومن المؤكد أن ذلك سيكون تحولًا حقيقيًا”.

وعقّب “أندريه أوجوستو”، عالم أبحاث في جامعة ولاية “أريزونا” الذي لم يكن مشاركًا في هذا البحث، قائلاً: “إن تكرير صناعة السيليكون وتصنيع الرقائق هما الجزء الأكبر من النفقات الرأسمالية (رأس المال) التي تدعم عملية تصنيع الألواح الشمسية”، ومن ثم فإن أفضل السيناريوهات للتوسع السريع يتمثل وفقًا لما أشار به إلى تعميم الرقاقات الرقيقة؛ حيث إنها “توفر مزايا أداء أفضل في المناخات الدافئة”.

كما قال “غريغوري ويلسون”؛ الرئيس التنفيذي لشركة “غريغوري ويلسون للاستشارات” والمحلل في مجال الطاقة المتجددة، والذي لم يكن مشاركًا أيضًا في هذا البحث: “إن تأثير تقليل كمية السيليكون المستخدم في الخلايا السائدة سيكون مهمًا للغاية وفقًا لما أشارت له الورقة، والفائدة تكمن في كمية الطاقة اللازمة لإنتاج الألواح الكهروضوئية السيليكون؛ نظرًا لأن عمليات إنتاج البولي سيليكون ونمو السبيكة اللازمة لإنتاج خلايا عالية الكفاءة تستهلك الكثير من الطاقة”.

وأضاف ويلسون: “إن مصنعي الخلايا الكهروضوئية والوحدات الرئيسة يحتاجون للاستماع إلى مجموعات موثوقة مثل البروفيسور بوناسيزي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فلا شك في أنهم سيقومون بهذا التحول عندما يمكنهم رؤية الفوائد الاقتصادية بوضوح”.

وأخيرًا، ضم فريق البحث كلًا من الباحثين: “سارة صوفيا”، و”هانو لين”، و”سارة ويغولد”، و”ماريوس بيترز” من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، و”مايكل وودهاوس” من المختبر الوطني للطاقة المتجددة، وتم دعم هذا العمل جزئيًا من قِبل كل من (وزارة الطاقة الأمريكية، وتحالف سنغافورة للمعهد الدولي للبحوث والتكنولوجيا، ومنحة توتال للطاقة من خلال مبادرة الطاقة الخاصة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا).

المصدر: Mit news: For cheaper solar cells, thinner really is better

بعد قراءة الموضوع يمكنك معرفة المزيد عن الكلمات الآتية: