كفاءة قياسية في خلايا الغشاء الرقيق الكهروضوئية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Record efficiencies in thin film photovoltaic cells

 (AMOLFتقديم: معهد البحوث أمولف – ^[١])

ملخص المقالة:

باستخدام نسيج بنية نانوية جديد، وجد باحثون من معهد البحوث “أمولف” وجامعة “سوري” وكلية “امبريال” طريقة لصنع الخلايا الكهروضوئية الرقيقة غير الشفافة. وقد وجدوا أن هذه الأغشية الرقيقة تمتص 65٪ من ضوء الشمس، وهي قريبة جدا من حد الامتصاص النظري النهائي البالغ ~ 70٪. ومن المرجح أن يتم تطوير خلايا السيليكون الكهروضوئية المرنة وخفيفة الوزن والفعالة في المستقبل القريب.

( المقالة )

أثبتت الخلايا الشمسية السليكونية أنها من أفضل التقنيات الكهروضوئية، لأنها تستخدم مواد خام متوفرة (أي السيليكون) وأداء بكفاءة عالية. ومع ذلك، فإنها تستند إلى رقائق سميكة وصلبة وثقيلة، وبالتالي لا يمكن تركيبها إلا في عدد محدود من الأماكن.

وواحدة من الطرق للتغلب على هذا العيب هي استخدام الأغشية الرقيقة بدلا من ذلك. وسيؤدي ذلك إلى تقليل كمية السيليكون بأكثر من 99٪ (التوفير بشكل كبير في المواد الخام) وأيضا جعل الخلايا مرنة وخفيفة الوزن. وعلى هذا النحو، يمكن دمج هذه الخلايا بسهولة في المباني والهندسة المعمارية الحضرية وحتى الأدوات اليومية الصغيرة. والمشكلة هي أن أغشية السيليكون الرقيقة هذه لا يمكنها امتصاص الضوء بكفاءة. وفي الواقع، يتم امتصاص 25٪ فقط من أشعة الشمس ويمكنك حتى الرؤية من خلالها.

وباستخدام نسيج بنية نانوية جديد مصمم بعقلانية، وجد باحثون من معهد البحوث “أمولف” وجامعة سوري [جامعة أبحاث عامة تقع في مدينة غيلدفورد بمقاطعة سوري بإنجلترا] وكلية امبريال [في لندن] طريقة لصنع الخلايا الكهروضوئية الرقيقة غير الشفافة وبالتالي تعزيز كفاءتها.

وفي المختبر، وجدوا أن مثل هذه الأغشية الرقيقة المنمطة تمتص 65٪ من ضوء الشمس، وهي قريبة جدا من حد الامتصاص النظري النهائي البالغ ~ 70٪. وهذا هو أعلى امتصاص للضوء على الإطلاق في مثل غشاء السيليكون الرقيق هذا، وبالتالي، من المرجح أن يتم تطوير خلايا السيليكون الكهروضوئية المرنة وخفيفة الوزن والفعالة في المستقبل القريب.

كيف تعمل؟

تعيد البنية النانوية المنمطة توجيه ضوء الشمس المستقيم بحكمة إلى مجموعة من الزوايا، وبالتالي تحبس الضوء داخل غشاء السيليكون. ومع محاصرة الضوء، يكون لديه المزيد من الفرص للامتصاص ويزداد سمك الغشاء بشكل فعال للضوء.

ومن خلال معرفة زوايا الضوء التي ستحبس الفوتونات داخل غشاء السيليكون، يتمكن الباحثون تصميم نمطهم النانوي بناء على حالة المادة التي غالبا ما توجد في الطبيعة، من ترتيب الكون إلى توزيع مستقبلات الصور في أعين الطيور. وعلى الرغم من أن التوزيعات والأنماط فائقة التوحيد تبدو عشوائية تماما، إلا أن هناك بعض الترتيب. وعلى هذا النحو، تجمع التصاميم فائقة التوحيد بين أفضل ما في العالمين:

• يسمح الترتيب بتوجيه الضوء بحكمة إلى زوايا محددة جدا محاصرة في الغشاء بناء على دورية النمط.
• يسمح الاضطراب بزيادة اتساع الزوايا التي يمكن تحقيقها بنمط واحد، مما يؤدي إلى زيادة الامتصاص.

وأثبت الباحثون أنه لا يوجد حل فريد من نوعه بل عائلة كاملة من تصميمات الأنماط فائقة التوحيد التي توفر جميعها مرونة تصميم عالية دون المساس بالأداء البصري. وهذا مهم جدا من وجهة نظر التنفيذ، حيث لا يمكن تصنيع جميع تصميمات الأنماط النانوية بسهولة بطريقة قابلة للتطوير.

التحديات

هناك تحديان رئيسيان في محاصرة أشعة الشمس في السيليكون الرقيق هما المجموعة الواسعة من الألوان في الطيف الشمسي جنبا إلى جنب مع الأبعاد المحدودة للغشاء. ومن منظور الضوئيات، يعد تحسين توجيه الضوء ومحاصرة لون واحد أمرا بسيطا نسبيا ويمكن القيام به بكفاءة باستخدام الهياكل الدورية. ومع ذلك، فإن ضوء الشمس له العديد من الألوان، كل منها يواجه قوة امتصاص مختلفة في السيليكون.

وقد حلت خلايا السيليكون الشمسية السميكة هذه المشكلة عن طريق تخشين السطح بميزات هرمية ذات أبعاد مماثلة لتلك الموجودة في الأطوال الموجية للضوء (أي ما يصل إلى 1 ميكرومتر للضوء الأحمر، وهو أقل من 1٪ من إجمالي سمك السيليكون). ومع ذلك، فإن نفس النهج لن يعمل في أغشية رقيقة بسماكة مقدار الطول الموجي للضوء.

وقد تحايل فريق البحث على ذلك من خلال التقاط مجموعة واسعة من الألوان، بما في ذلك الألوان الحمراء، عن طريق تنميط جزء صغير فقط من سطح الخلية. ولا تنطبق هذه النمطية فقط على السيليكون الرقيق، كما هو موضح هنا، ولكن أيضا على أي غشاء رقيق آخر لامتصاص الضوء يحتاج إلى مساعدة إضافية لامتصاص الضوء.

التطبيق

تقول رئيسة مجموعة معهد البحوث “أمولف” إستر ألاركون لادو: “استنادا إلى أداء محاصرة الضوء القوي لأنماطنا، نقدر أنه يمكن تحقيق الكفاءة الكهروضوئية التي تزيد عن 20٪ لخلية كريستال-سيليكون بسماكة 1 ميكرومتر، والتي من شأنها أن تمثل اختراقا مطلقا نحو كريستال-سيليكون كهروضوئي مرن وخفيف الوزن.

وأيضا، ممتصات السيليكون الرقيقة هي أكثر تحملا للعيوب الإلكترونية مقارنة بنظيراتها السميكة. وهذا يعني أنه يمكن أيضا تصنيع خلايا السيليكون الرقيقة ذات الكفاءة العالية من السيليكون منخفض الجودة، مما يقلل من احتياجات الطاقة لتنقية السيليكون الخام ويقلل من وقت استرداد تكلفة الطاقة”.

وتضيف: “الخلايا الكهروضوئية الرقيقة المنمطة عالية التوحيد هي تقنية واعدة للغاية. في حين لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لجعل هذه الخلايا الرقيقة عالية الكفاءة جزءا من بيئتنا المعيشية، فإن هذا العمل يجعلنا متفائلين جدا بأن هذا سيحدث قريبا”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2022-03-efficiencies-thin-photovoltaic-cells.html

لمزيد من المعلومات: نسيم تاوكلي وآخرون،  Over 65% Sunlight Absorption in a 1 μm Si Slab with Hyperuniform Texture, ACS Photonics (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01668

الهوامش:

[١] معهد البحوث “أمولف” (AMOLF) هو جزء من منظمة المعاهد التابعة للمنظمة الهولندية للبحث العلمي (Netherland Organizations for Scientific Research (NOW)). ويقع المعهد في مجمع أمستردام للعلوم ويقوم بإجراء أبحاث أساسية حول مبادئ الفيزياء والتصميم للمادة المعقدة الطبيعية والتي من صنع الإنسان. ويستخدم هذه الأفكار لإنشاء مواد وظيفية جديدة وإيجاد حلول جديدة للتحديات المجتمعية في مجال الطاقة المتجددة وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات الخضراء والرعاية الصحية. ويكيبيديا.