هل تنجح تقنية TOPCon في رفع كفاءة الألواح ثنائية الوجه إلى مستويات غير مسبوقة؟

مقدمة: سباق متصاعد نحو الألواح الشمسية الأعلى إنتاجية

في بيئات ذات انعكاس عالٍ للضوء مثل الصحارى أو الأسطح البيضاء، تبرز أهمية الألواح الشمسية ثنائية الوجه (Bifacial) لقدرتها على امتصاص الضوء من الجهتين، ما يزيد الطاقة المنتجة مقارنة بالألواح التقليدية. إلا أن الوصول إلى عامل ثنائية الوجه (bifaciality factor) يتجاوز 90% كان حتى وقت قريب يُعد تحديًا تقنيًا، خاصة لخلايا TOPCon  التي كانت تعاني من انخفاض نسبتها مقارنةً بخلايا Heterojunction  ؛ غير أن شركة Tongwei  الصينية أعلنت مؤخرًا عن اختراق مهم بتحقيقها عامل ثنائية وجه قدره 91.7% في لوح شمسي واحد بقدرة 722  واط، في إنجاز هو الأعلى من نوعه حتى الآن لتقنية  TOPCon، بحسب دراسة نُشرت حديثًا في Solar Energy Materials and Solar Cells

من التلميع إلى النقش: معالجة مبتكرة لسطح الخلية الخلفي

النجاح المحقق يعود إلى دمج ابتكارين رئيسيين:

1. بنية الهرم الغائر الانتقائية (Selective Sunken Pyramid Structure)
   تم تنفيذ هذه البنية على المناطق غير المزوّدة بالأقطاب الكهربائية في الخلف، مما ساهم في تعزيز امتصاص الضوء وزيادة كثافة التيار القصير من الخلف بمقدار 3.26 ميلي أمبير/سم²، مقارنة بالبنية المصقولة.
2. تقنية التلامس التمريري المخطط (Zebra-Crossing Passivation Contact)
   تم توزيع طبقات التخميل بشكل ذكي تحت الأقطاب الفضية (SiO₂/Poly-Si/Al₂O₃/SiNx) وفي مناطق النقش الخلفي (Al₂O₃/SiNx)، بما يحقق تخميلاً فائق الأداء دون التأثير على جودة التوصيل أو فقد الكفاءة.

هذه التعديلات سمحت للباحثين بالتحكم في توزيع الضوء وإدارة العيوب السطحية وتحسين التوصيل الكهربي، لتقديم خلايا أكثر فاعلية واستقرارًا.

تفاصيل التصنيع: تقنيات متقدمة في كل مرحلة

تم تصنيع الخلايا باستخدام رقائق سيليكون من نوع n-Cz بسمك 130 ميكرومتر، وتمت معالجتها كيميائيًا بأحماض HCl وHF  ، واستخدم الباحثون تقنيات متقدمة مثل:

• الترسيب الذري الطبقي (ALD) لترسيب طبقة من Al₂O₃ بسماكة 4 نانومتر.
• تخميل مزدوج الجهة باستخدام SiNx:H للأمام والخلف.
• الطباعة الكهروضوئية والتحفيز الضوئي لترسيب أقطاب الفضة.

النتيجة كانت خلية حققت:

• كفاءة أمامية 67%
• كفاءة خلفية 21%
• عامل ثنائية وجه للخلية 3%
• عامل ثنائية وجه للوحدة 7%
• قدرة الوحدة الشمسية الكاملة 722 واط

تحليل فيزيائي وبصري: لماذا الهرم الغائر وليس المصقول؟

تُظهر الدراسات أن الأسطح الخلفية المصقولة لا توزع سماكة طبقة SiOx بشكل متساوٍ، ما يؤدي إلى ضعف في التخميل وتشققات أثناء التلدين الحراري. أما الهرم الغائر، فرغم تعقيد تصنيعه، إلا أنه يوفر توزيعًا أكثر توازنًا وفعالية في امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة، ما يقلل من الخسائر الطفيلية ويزيد من الطاقة المنتجة، خصوصًا من الجهة الخلفية.

وقد تبيّن أن الخلية ذات السطح المنقوش نقشاً غائرًا تحقق تيارًا خلفيًا أعلى (41.29 mA/cm²) مقارنة بالسطح المصقول  (38.03 mA/cm²)، بفضل تأثير حجز الضوء.

آفاق تجارية: من المختبر إلى خطوط الإنتاج

يؤكد فريق Tongwei  أنهم بدأوا بالفعل مرحلة التشغيل التجريبي للألواح ثنائية الوجه بفاعلية تتجاوز 90%، على أن يبدأ الإنتاج التجاري واسع النطاق للألواح ذات فاعلية تفوق 85% خلال عام 2025. ويُتوقع خلال عام أو عامين الوصول إلى 95%  في الخلايا و90% في الألواح التجارية.

هذا التحوّل في تصميم الخلايا الشمسية يمكن أن يُعيد تشكيل مشهد الإنتاج الشمسي، لا سيما في البيئات ذات الإشعاع الشمسي العالي، التي تعاني فيها الألواح التقليدية من التراجع الحراري.

خاتمة: نحو جيل جديد من الخلايا الشمسية ثنائية الوجه عالية الكفاءة

تفتح نتائج هذه الدراسة الباب أمام اعتماد واسع لتقنية TOPCon ضمن الألواح ثنائية الوجه، خصوصًا مع تجاوزها عتبة 90% في عامل الثنائية. فالدمج بين الهندسة السطحية الدقيقة والتمرير الذكي للتيار يقدم نموذجًا جديدًا لأداء عالي وكفاءة محسنة في البيئات الفعلية. كما يُمكن للألواح الناتجة أن تُستخدم في تطبيقات الزراعة الذكية  (agrivoltaics)، والأسطح التجارية، والمشاريع الضخمة، وتُسهم بشكل فعّال في تحقيق أهداف الحياد الكربوني.

📚  المصدر:

Jiale Feng, Bin Yu, Yu He, Aiwu Lv, Jianbin Fan, Lei Yang, Zhengyue Xia, Zhonglan Li, Xiajie Meng, Fangdan Jiang, Guoqiang Xing, Jian Yu. Enabling 95 % bifaciality of efficient TOPCon solar cells by rear-side selective sunken pyramid structure and zebra-crossing passivation contact, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 292, 2025, Article ID 113809. ISSN 0927-0248. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113809