كيف يمكن التغلب على مشكلة تأثير الحرارة على الخلايا الشمسية ؟

Yajie Jiang, 2021, Progress in Photovoltaics, Wiley ©

يعد التغلب على مشكلة تأثر مستوى إنتاجية الألواح الشمسية بالحرارة من أهم المعوقات التي تواجه استخدام هذا النوع من التقنية في المناطق الصحرواية الحارة. كون استخدام الألواح الشمسية في درجات حرارة عالية يفقد خلايا السيليكون بعض الطاقة (شاهد الرسم البياني في الأسفل). كون السيلكون مادة تفقد خواصها عند تعرضها لدرجات الحرارة العالية. بالإضافة إلى أن معدل تدهور مكونات الوح الشمسي يزيد في المناطق الحارة مقارنة بالمناطق الأخرى. هذا الأمر يجعل البحث على بدائل أو حلول للحد من هذه الفواقد في إنتاجية الألواح و كذلك للوصول إلى مواد تتمتع بعمر تشغيلي أطول بفضل قدرتها على التغلب على مشكلة الحرارة العالية.

Ali Pourakbar Saffar, 2014, International Journal of Renewable Energy Developmen ©

يوضح الرسم البياني التأثير الحراري على كفاءة خلايا السيليكون الشمسية. وكما هو موضح في الصورة كلما زادت الحرارة كلما قلت كفاءة أو انتاجية الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون.

كشف باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني عن تصميم للخلايا الشمسية من الجيل الجديد يجعل لديها القدرة على العمل في درجات حرارة عالية مما يسمح للخلايا بالحفاظ على كفاءة أعلى ويحد من نسبة التدهور المرتبطة بالحرارة.

وبحسب البحث الذي نُشر في مجلة Progress in Photovoltaics أن السر الذي كان وراء الوصول لهذا التحسين في الأداء هو الجمع بين تقنيتين من الخلايا الشمسية للجيل القادم – وهي تقنية الانشطار الفردي و الخلايا الشمسية الترادفية.

الخلايا الشمسية الترادفية:

تتكون الخلايا الشمسية الترادفية من نوعين مختلفين من الخلايا الشمسية يتم وضعهما فوق بعضها البعض. وأحد الأمثلة الشائعة هو خلايا بيروفسكايت التي يتم وضعها فوق خلية شمسية تقليدية من السيليكون. هذا الدمج يقلل من انعكاسات الضوء الساقط بل و يجعل من الممكن تحويل المزيد من الطيف الضوئي للشعاع الشمسي إلى تيار كهربائي مما يعزز الكفاءة الإجمالية للخلايا الشمسية.

Yajie Jiang, 2021, Progress in Photovoltaics, Wiley ©

مقارنة بين عمل الخلايا التقليدية والمترادفة حسب الإشعاع الطيفي الشمسي. حيث توضح الدوائر على اليمين عملية  الانشطار المفرد حيث يتم خفض الجهد إلى النصف ويضاعف التيار.

الانشطار الفردي:

هي طريقة أخرى لاستخراج المزيد من الطاقة التي يمكن الاستفادة منها من ضوء الشمس. ففي الخلايا الشمسية التقليدية تقوم وحدة من الضوء تُعرف بالفوتون بنقل الطاقة إلى الإلكترون وبسبب هذا يتم إنتاج تيار كهربائي. أما من خلال دمج تقنية الانشطار الفردي في تصميم الخلايا الشمسية يمكن استخدام فوتون واحد لتوصيل الطاقة إلى إلكترونين داخل المادة التي يتم صناعة الخلية الشمسية منها. هذا النوع من التوصيل المضاعف لعدد أكبر يجعل الخلايا شمسية أكثر كفاءة حيث يتم امتصاص كمية أكبر من الفوتونات من الشعاع الشمسي.

الجدير بالذكر أن كلا من هذه التقنيتين تعزز الحد الأقصى من كفاءات التحويل للخلايا الشمسية وكذلك تمكن من تحسين الأداء الحراري وانخفاض درجات حرارة التشغيل وبالتالي تزيد من العمر الإنتاجي للخلايا الشمسية بمعدل 3.1 إلى 4.5 سنوات.

هذه التقنية تساهم في تحويل أكبر قدر ممكن من الإشعاع الشمسي إلى تيار كهربائي كون جزء لابأس به من الإشعاع الشمسي في الخلايا التقلدية لايتم الإستفادة منه وبالتالي يتحول إلى طاقة حرارية مبددة على سطح اللوح الشمسي  الأمر الذي يسبب في ارتفاع درجة حرارة اللوح بل و يزداد هذا الأمر سوء في المناطق التي يكون فيها الإشعاع الشمسي عالي وكذلك درجة الحرارة مرتفعة.

هذا التصميم لهذا النوع من الخلايا سيحدث نقلة نوعية في قطاع صناعة الخلايا الشمسية وسيقلل تكاليف الإنتاج وسيجعل إنتاج الطاقة الكهربائية من الخلايا الكهروضوئية منافسا قويا لمصادر إنتاج الكهرباء من الوقود الأحفوري في أسواق الطاقة التقليدية.

تم إجراء البحث من قبل كلية الهندسة الكهروضوئية والطاقة المتجددة ومركز ARC  التابعين لجامعة نيو ساوث ويلز في سيدني.

رابط المقالة :

Singlet fission and tandem solar cells reduce thermal degradation and enhance lifespan

البرنامج التدريبي المكثف و الأول على مستوى الوطن العربي :التقييم الفني و الاقتصادي لموارد و مشاريع الطاقة المتجددة