الطاقة الشمسية.. فريق مصري يبتكر خلايا جديدة بكفاءة أعلى من 45%

في ظل الانتشار الواسع لمشروعات الطاقة الشمسية في مصر والعالم، أصبح رفع كفاءة الألواح والخلايا الشمسية تحديًا كبيرًا يواجه العلماء والباحثين في هذا المجال.

إذ نجح فريق بحثي مصري في التوصل إلى تركيب لخلايا شمسية متعددة التوصيلات (تراكبية) بكفاءة تجاوزت نسبة الـ 45%، في حين تبلغ الكفاءة القصوى للخلية الشمسية المتاحة تجاريًا المسجلة حتى الآن 33.7%.

ويتكون الفريق البحثي المصري -الذي توصّل إلى هذه النتائج- من عدد من الأساتذة والباحثين من جامعات عين شمس، والمستقبل، وحلوان، إلى جانب أبرز المتخصصين بمجال الطاقة الشمسية في مصر.

استغلال الطيف الشمسي

كان الباحثون في مجال مواد البيروفسكايت ومصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء في جامعة كامبريدج، قد اكتشفوا أن الخلايا الشمسية ستصبح أكثر كفاءة لو أصبح تركيبها الكيميائي أقلّ تطلبًا، أي من خلال تبسيط عمليات الإنتاج وخفض التكلفة.

ويعمل العلماء على مستوى العالم على مواد أحدث، مثل نيتريد الغاليوم والجرمانيوم وفوسفيد الإنديوم، لقناعتهم بأن هذه المواد ستستخدم الطيف الشمسي الكامل بفعالية، وتحوّله إلى كهرباء عن طريق تغيير حدود فجوة النطاق للخلايا الشمسية متعددة الوصلات.

تأمين الكهرباء في المستقبل

قال المدرس بقسم الهندسة الكهربية بجامعة المستقبل، الدكتور أحمد سعيد، إنه في الوقت الحاضر تُطَبَّق العديد من الدراسات في مجال الطاقة المتجددة، لا سيما أحد مصادرها الواعدة وهي الطاقة الشمسية، من خلال رفع كفاءة الخلايا الشمسية، حتى تتمكن من تأمين الاحتياجات الإنسانية المتزايدة للكهرباء في المستقبل.

وأضاف -في تصريحات خاصة إلى "الطاقة"- أنه يمكن تصنيف الخلايا الشمسية إلى نوعين: خلايا شمسية أحادية التوصيل، وأخرى متعددة التوصيلات.

وأوضح أن القيد الرئيس للخلايا الشمسية أحادية التوصيل يتمثل في قدرتها على امتصاص جزء من الطيف المعرضة له الخلية الشمسية، والذي يمتلك طاقة أكبر من -أو تساوي- جهد الطاقة للمادة المستخدمة في تركيب الخلية، بينما تعجز الخلية عن امتصاص باقي الطيف.

ولفت إلى أنه حتى في حالة الطيف الذي يحتوي على طاقة أكبر من جهد الطاقة للمادة المستخدمة في الخلية، سيُفقد الفرق في الطاقة بشكل حرارة.

الخلايا متعددة التوصيلات (التراكبية)

أفاد الدكتور بقسم الهندسة الكهربية بجامعة المستقبل أن أحد حلول هذه المشكلة يتمثل في استخدام الخلايا الشمسية متعددة التوصيلات (التراكبية)، لأنها تتكون من خلايا فرعية ذات جهود كهربية مختلفة، لذلك يمكنها امتصاص طيف أوسع، كما تتميز بكفاءة أعلى.

وأوضح -أيضًا- أن من أهم الدراسات في مجال الطاقة الشمسية، التي قدّمها الباحثون في تصميم تركيبات الخلايا الشمسية التراكمية، دراسة الدكتور محمد موسى والمهندس مصطفي صلاح، وهي نمذجة وتحليل الخلايا الشمسية التراكبية.

وأشار إلى أن الدراسة قد اقترحت عدّة تصاميم ونتائج اختبارات للعديد من الخلايا الفرعية العلوية المعتمدة على البيروفسكايت، والمكونة من: البيروفسكايت، البيروفسكايت باستخدام الكلوريد، بيروفسكايت الكربون، البيروفسكايت دون طبقة نقل الإلكترون.

مركبات البيروفسكايت

برزت مركبات البيروفسكايت الهجينة مكونًا رئيسًا في خلال الطاقة الشمسية خلال السنوات القليلة الماضية، نظرًا لانخفاض تكلفتها وكفاءتها العالية، مقارنة بمواد الخلايا الشمسية التقليدية المعتمدة على السيليكون، والمستخدمة حاليًا.

كما تتميز هذه المواد بخصائص إلكترونية بصرية فريدة، من بينها الامتصاص عالي الكفاءة للضوء، مما يؤدى إلى إنتاج خلايا شمسية تتميّز بكفاءة قصوى في تحويل الطاقة، وتتفوق على الخلايا الشمسية أحادية الوصلات المعتمدة على السيليكون.

كما اختُبِرَت عدد من الخلايا الفرعية السفلية المعتمدة على استخدام طبقة واحدة أو طبقتين فرعيتين ماصّتين بمستويات مختلفة من المواد المضافة لتحسين جهد الخلية.

وتعتمد هذه الخلايا الفرعية السفلية على استخدام السيليكون، ونحاس الإنديوم غاليوم سيلينيد، والجرمانيوم تيلورايد، وطبقتين فرعيتين ماصّتين باستخدام كل من نحاس الإنديوم غاليوم سيلينيد والجرمانيوم تيلورايد بمستويات مختلفة من المواد المضافة لتحسين جهد الخلية.

رفع كفاءة الخلية

أكد الدكتور أحمد سعيد أن الخلايا المقترحة قد أظهرت نتائج جيدة وكفاءة أعلى، لافتًا إلى أنها تكافئ كهربائيًا دائرتين متصلتين على التوالي، مما يؤدي إلى جهد أعلى للخلية.

ولفت إلى أن القصور الذي ظهر في هذا المقترح تمثّل في أن الطبقة الفرعية ذات الحد الأدنى من كثافة التيار تحدّ من كثافة التيار للخلية الفرعية، ومن ثم كثافة التيار الكلي للخلية التراكبية.

وأضاف أن الدراسة قدّمت حلًا مقترحًا لأحد القيود الحالية للخلايا الشمسية التراكبية ثنائية الأطراف، بناءً على استخدام الجرمانيوم تيلورايد، لافتًا إلى أن الخلية الفرعية السفلية هي عادة الخلية ذات الحد الأدنى من كثافة التيار، والتي تحدّ من كثافة التيار بالخلية التراكبية، وكفاءة الخلية عمومًا.

كما إن الخلية الفرعية السفلية من الجرمانيوم تيلورايد تُظهر كثافة تيار عالية، مما يسمح للخلية الفرعية العليا بالعمل عند قيمة كثافة تيار عالية، ومن ثم الخلية التراكبية تعمل عند كثافة تيار عالية، مما يحسّن كفاءة الخلية التراكبية.

وبناءً على هذه الأبحاث، جرى تصميم واختبار عدّة خلايا تراكبية مختلفة، واقتُرِحَت خوارزمية جديدة لتحديد سُمك الطبقة الممتصة للخلايا الفرعية العليا، كما قُدِّمت دراسة لاستقرار أداء الخلية التراكبية مع تغيرات درجة الحرارة في النطاق (260 درجة كلفن إلى 360 درجة كلفن).

وأشار الدكتور أحمد سعيد إلى أن الخلايا التراكبية المصممة قد أثبتت أداءً بنتائج مختلفة وواعدة تصل إلى كفاءة تحويل حتى 45% من الطاقة التي تعرض لها الخلية الشمسية.

موضوعات متعلقة..

• الطاقة الشمسية في مصر.. تقنية جديدة لتنظيف وتبريد الألواح
• أفضل الخلايا الشمسية.. هل تتحكم الألوان في الكفاءة؟ (صور)
• أفضل أنواع الألواح الشمسية للاستخدام المنزلي.. الشركات والأسعار

اقرأ أيضًا..

• تباطؤ سعة الطاقة الشمسية خارج الشبكة في العالم مع وباء كورونا (تقرير)
• أدنوك توقع اتفاقية مع ريلاينس الهندية باستثمارات 2 مليار دولار
• الطاقة الشمسية في مصر تضيء زوارق بخارية ويخوتًا سياحية (فيديو - صور)
• أنبوب الغاز النيجيري.. الجزائر ترد على تأجيل المشروع و"لا منافسة مع المغرب"