هل يمكن تحقيق كفاءة 21% في خلايا الطاقة الشمسية متعددة البلورات للبيئات تحت الماء؟
مقدمة
تمكن علماء كوريا الجنوبية من تحقيق اختراق في مجال خلايا الطاقة الشمسية متعددة البلورات المخصصة للاستخدام في البيئات تحت الماء، حيث حققوا كفاءة بلغت 21% باستخدام تقنيات متقدمة. هذا الإنجاز يفتح آفاقًا جديدة لتطوير الطاقة الشمسية في بيئات غير تقليدية، مثل المياه، مما يساهم في تلبية احتياجات الطاقة المستدامة في مختلف التطبيقات البحرية.
التقنيات المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية
تم تصميم الخلية الشمسية باستخدام طبقة رقيقة جدًا من أكسيد الغاليوم (Ga2O3) بسمك 2.3 نانومتر، وهي مادة تتمتع بفجوة نطاق واسعة، وشفافية عالية، وخصائص مقاومة كيميائية استثنائية، بالإضافة إلى خصائص تفاعل سطحية ممتازة. يقول العلماء: “عند تطبيق Ga2O3 كطبقة رقيقة جدًا، يمكن أن تعمل في وقت واحد كطبقة تمرير، حاجز حماية، وطلاء مضاد للانعكاس، مما يعزز خلايا السيليكون الشمسية ويجعلها تتفوق على التصاميم التقليدية.”
Fig. A) Schematic of hybrid aqua-powered solar cell and in the inset, the cross view of hybrid aqua power solar cell device where polycrystalline silicon solar cell, over gallium oxide layer, ag busbar, and water over it. as well as the system is connected to the load and the illumination from topsides. b) Polycrystalline cell with gallium oxide and ag busbar with dimensions. c) Experimental setup of 3d-printed enclosed box with a water hybrid cell under illumination. d) Commercial polycrystalline solar cell with Ga2O3 layer and water layer.
تحسين امتصاص الضوء وتقليل الانعكاس
تساهم طبقة Ga2O3 في تقليل الانعكاس السطحي وتحسين امتصاص الضوء في الخلايا الشمسية، ما يسمح بزيادة الكفاءة في الظروف البيئية المختلفة، بما في ذلك البيئات المائية. كما أن هذه الطبقة تعمل كحاجز حماية قوي، خاصة في البيئات القائمة على الماء، مما يقلل من التدهور الناجم عن التفاعلات الكيميائية ويزيد من استقرار الخلايا الشمسية على المدى الطويل.
التصميم والاختبارات
تم تصنيع الخلية في جهاز بقياس 12 مم × 12 مم، وكان يعتمد على شريط فضي لتحسين جمع الشحنات، بالإضافة إلى طلاء مضاد للانعكاس من السيليكون نيترايد (SiNx) ، تم تضمين الخلية في صندوق محكم مصنوع باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لضمان impermeability
أجريت الاختبارات باستخدام إضاءة ضوء أبيض نبضي تحت أربع بيئات مختلفة:
- بدون Ga2O3 في الهواء (W/O-Air)
- مع Ga2O3 في الهواء (W/G-Air)
- بدون Ga2O3 في الماء (W/O-Water)
- مع Ga2O3 في الماء (W/G-Water)
نتائج الاختبارات وتحقيق كفاءة 21%
أظهرت الاختبارات أن الخلية الشمسية متعددة البلورات المودعة بأكسيد الغاليوم في بيئة تحت الماء حققت أعلى كفاءة بين جميع الأجهزة، حيث وصلت الكفاءة إلى 21.56%. كما أظهرت نتائج الاختبارات الأخرى أن الخلايا الشمسية التقليدية تحت الماء قد تحقق كفاءة 19.36%، بينما بلغت كفاءة الخلايا المودعة بأكسيد الغاليوم في الهواء 19.04%، أما الخلايا الشمسية التقليدية فقد حققت كفاءة 17.87%.
التأثير الكبير لوجود Ga2O3
أوضح العلماء أن وجود Ga2O3 له تأثير كبير في تحسين التيار الضوئي في كل من البيئات الهوائية والمائية. “من الجدير بالذكر أن أعلى تيار ضوئي يتم ملاحظته في حالة W/G-Water، مما يشير إلى أن التأثير المشترك لـ Ga2O3 والماء يحسن كفاءة نقل الشحنات.”
الآفاق المستقبلية والتطبيقات
تستمر أبحاث الخلايا الشمسية تحت الماء في التطور، وقد أظهرت نتائج سابقة من معهد بيرلا للتكنولوجيا وعلوم الهندسة ومعهد الهندسة التكنولوجية في كانبور أن الخلايا الشمسية المغمورة تستفيد من درجات حرارة منخفضة وبيئة مثالية للتنظيف. وبالرغم من وجود تحديات، فإن هناك إمكانيات كبيرة لتطبيقات الخلايا الشمسية في أجهزة الاستشعار تحت الماء والأجهزة التجارية والدفاعية.
وفي السنوات الأخيرة، كانت هناك أبحاث في الصين وإيطاليا تؤكد أن الخلايا الشمسية، بما في ذلك خلايا بيروفسكايت، قد تحقق كفاءات أعلى في البيئات تحت الماء مقارنة بالأجهزة التقليدية في الهواء.
📚 المصدر:
Md Arifur Rahman Barno, Malkeshkumar Patel, Shubham Umeshkumar Gupta, Sourov Hossain, Sanh Vo Thi, Cho Seung Hee, Joondong Kim, “Aqua-powered hybrid solar cell using amorphous conformal Ga2O3 thin-film,” Materials & Design, Volume 259, 2025, 114754, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114754
