اختراق الثغرات الأمنية للأشعة فوق البنفسجية:-تقنيات الجيل التالي من التحول إلى الأسفل والحجب تعمل على إطالة عمر وحدات الطاقة الشمسية غير المتجانسة

مع تسارع صناعة الطاقة الشمسية نحو تحقيق كفاءة أعلى وعمر تشغيلي أطول، برزت تقنية الطاقة الشمسية غير المتجانسة (HJT) كمرشح رائد للجيل التالي من الأنظمة الكهروضوئية-. ومع ذلك، فإن العائق الفني المستمر-التدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية-قد أدى إلى الحد من المتانة العالمية الحقيقية-لوحدات HJT. الآن، تركزت موجة جديدة من الابتكاراتالأشعة فوق البنفسجية إلى أسفلوحجب الأشعة فوق البنفسجيةتستعد الشركة للتغلب على هذا الاختناق، وفتح الإمكانات الكاملة لخلايا HJT للنشر على نطاق واسع.

تتكون الألواح الشمسية غير المتجانسة من السيليكون البلوري المقترن بطبقات رقيقة من السيليكون غير المتبلور (غير البلوري). ونتيجة لذلك، تتمتع هذه الألواح بكفاءة عالية في الكسب/الخسارة وخصائص درجة حرارة محسنة أكثر من الألواح الشمسية التقليدية PERC (الباعث السلبي، الخلية الخلفية). ومع ذلك، فإن حساسيات الأشعة فوق البنفسجية (غير المتجانسة) لـ HJT لا تزال تمثل مشكلة. تتأثر خلايا HJT وطبقات الواجهة الحساسة الخاصة بها (على سبيل المثال، TCO - أكسيد التوصيل الشفاف) بالشيخوخة المتسارعة عند تعرضها لفوتونات الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة العالية-. بالإضافة إلى ذلك، قد تحتوي حاملات شحن خلية HJT على شحنة أقل تم جمعها بواسطة خلايا HJT مع زيادة فقدان حاملات الشحن و/أو زيادة معدلات إعادة تركيب حامل الشحنة مما يؤدي إلى انخفاض خرج الطاقة من خلايا HJT تلك.

من أجل إنشاء حلول للتخفيف من أضرار الأشعة فوق البنفسجية لهيكل لوحة HJT، عمل الباحثون والمصنعون معًا على استراتيجيتين منفصلتين لتحسين الأداء البصري للوحة HJT، مما سيساعد على تخفيف أضرار الأشعة فوق البنفسجية لهيكل لوحة HJT. تعتبر الاستراتيجيات مكملة للأخرى، من حيث كيفية منع كل واحدة منها للأشعة فوق البنفسجية من التسبب في تلف بنية لوحة HJT.

يتضمن النقل إلى مستوى أدنى من الأشعة فوق البنفسجية دمج مواد مضيئة متخصصة-غالبًا ما تكون نادرة-فوسفورات أرضية-أو نقاط كمومية متقدمة-في الطبقة المغلفة أو الطبقة المغلفة الأمامية للوحدة. تمتص هذه المواد -فوتونات الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة (عادةً 280–400 نانومتر) وتعيد إصدارها كضوء-طاقة أقل، أو ضوء مرئي (عادة أخضر، أو أصفر، أو أحمر)، والذي يمكن لخلايا HJT تحويله بكفاءة إلى كهرباء.

وفقًا للدكتورة إيلينا مارشيتي، باحثة أولى في مجال الخلايا الكهروضوئية في المركز الأوروبي لابتكار الطاقة الشمسية، "إن التحول إلى مستوى أقل يحول بشكل فعال مسار التحلل الطفيلي إلى أحد أصول الأداء. فبدلاً من السماح لفوتونات الأشعة فوق البنفسجية بإتلاف TCO أو طبقات-Si:H، نقوم بتحويلها إلى فوتونات مفيدة تساهم في الجيل الحالي." أظهرت الاختبارات الميدانية المبكرة أن الوحدات ذات التغليفات المُحسَّنة التي تعمل على تقليل السرعة يمكن أن تقلل من التدهور الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية - بنسبة تصل إلى 65% بينما تكتسب 1.5-2.8% في تيار الدائرة القصيرة- بسبب الضوء المرئي الإضافي المحول.

تشتمل الإنجازات الحديثة على استخدام -الأطر العضوية المعدنية المطلية باليوروبيوم ونقاط الكم -البيروفسكايت الخالية من الرصاص والتي توفر إنتاجية كمية عالية من اللمعان الضوئي واستقرارًا ممتازًا على المدى الطويل-. ويتم دمج هذه الطبقات المتغيرة في كل من أسيتات فينيل الإيثيلين - (EVA) ومغلفات المطاط الصناعي من البولي أوليفين (POE)، دون المساس بالوضوح البصري أو الالتصاق.

يتم إجراء حجب الأشعة فوق البنفسجية عن طريق منع فوتونات الأشعة فوق البنفسجية من الوصول إلى طبقات الخلايا الحساسة للوحدة، مما يجعلها طريقة أكثر مباشرة لتحقيق هذا الهدف ولكن مجرد استخدام ممتص الأشعة فوق البنفسجية القياسي ليس كافيًا. تعمل الحواجز التقليدية عادةً على تقليل موارد الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة عن طريق قطع جزء من منطقة الطيف الأزرق -البنفسجي (أقل من 450 نانومتر).

Next-generation UV-blocking films use multilayer interference coatings or hybrid organic-inorganic barriers that selectively reflect or absorb UV light (280 nm to 380 nm), while allowing >مرور 95% من ضوء الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة (400 نانومتر إلى 1200 نانومتر). يمكن إضافة هذه الأفلام إلى الزجاج الأمامي لوحدة الطاقة الشمسية أو كطبقة داخلية مستقلة.

ومن الأمثلة على هذه التقنية الزجاج الأمامي المطلي بحاجب للأشعة فوق البنفسجية- والذي تم تطويره بشكل مشترك بين معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية وشركة تصنيع زجاج كبيرة. يقلل هذا الزجاج الأمامي المطلي بحاجب الأشعة فوق البنفسجية من انتقال الأشعة فوق البنفسجية إلى<3% of the total incident light while maintaining 96% of the visible light transmission. Accelerated aging tests (IEC 61215) using HJT modules with UV-blocking front glass show that the retained power after 2,000 hours of UV exposure is 94% as compared with only 79% for control modules with standard glass.

تشير أحدث التطورات في تكنولوجيا الحماية من الأشعة فوق البنفسجية إلى أن النهج المشترك الذي يتضمن كلاً من أفلام حجب الأشعة فوق البنفسجية والمغلفات المتغيرة يوفر أفضل حل لزيادة العمر الإنتاجي وإنتاجية الطاقة الإجمالية للوحدات الكهروضوئية الشمسية. يتم تحقيق المستوى الأول من الحماية عن طريق وضع طبقة حاجبة للأشعة فوق البنفسجية - على سطح الوحدة الكهروضوئية، مما سيؤدي إلى منع معظم فوتونات الأشعة فوق البنفسجية من الدخول عبر هذه الطبقة. سيتم التقاط أي ضوء للأشعة فوق البنفسجية يخترق هذا الحاجز وتحويله إلى ضوء مرئي غير ضار باستخدام مغلف ناقل الحركة إلى الأسفل. يوفر هذا التصميم المكون من طبقتين-أقصى قدر من الحماية للوحدة الكهروضوئية، مما يؤدي إلى إطالة عمر الوحدة وزيادة إجمالي إنتاج الطاقة.

بدأت الشركات المصنعة الرئيسية التالية للمعدات الكهروضوئية في الإنتاج التجريبي لوحدات HJT بتقنيات الحماية من الأشعة فوق البنفسجية: شركات تصنيع مختلفة في أوروبا وشركات تصنيع مختلفة في الصين. وفقًا للتوقعات الأولية، فإن تكلفة المواد المضافة لهاتين التقنيتين للحماية من الأشعة فوق البنفسجية ستكون حوالي 1.20 دولارًا إلى 1.80 دولارًا لكل وحدة HJT؛ ومن المتوقع أن يتم تعويض تكلفة المواد الإضافية هذه من خلال الزيادة في الكفاءة التي تحققت بنسبة 0.8٪ إلى 1.5٪ ومن خلال تمديد العمر الإنتاجي للوحدات من 25 عامًا إلى 30 عامًا أو أكثر. ومن ثم، فإن استخدام وحدات HJT سيؤدي إلى تقليل التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) وتوفير عائد أكبر على الاستثمار لمشروعات المرافق العامة-.

يقول مارك تشين، مدير المنتجات في إحدى الشركات الصينية الرائدة في مجال تصنيع وحدات HJT: "لم تعد عملية النقل والحجب للأشعة فوق البنفسجية مجرد تمارين أكاديمية بعد الآن". "إنها ناضجة بما فيه الكفاية للتسويق. ونتوقع أنه بحلول عام 2028، سيتم شحن أكثر من نصف وحدات HJT المتميزة مع شكل من أشكال تكنولوجيا إدارة الأشعة فوق البنفسجية."

نظرًا لأن قطاع الطاقة الشمسية يسعى جاهداً لتحقيق كفاءة بنسبة 30% وعمر افتراضي للوحدة يصل إلى 40-عامًا، فإن إيجاد حلول لتدهور وحدات الوصلات غير المتجانسة الناتجة عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية أمر ضروري. إن التقدم المزدوج في المواد المضيئة ذات السرعة المنخفضة جنبًا إلى جنب مع الطلاءات المقاومة للأشعة فوق البنفسجية الأكثر دقة يخلق مسارًا واضحًا وعمليًا للغاية لتحقيق ذلك. ومن خلال حماية الواجهات الحساسة لوحدات HJT، تساعد هذه التقنيات على السماح بالجيل القادم من مزارع الطاقة الشمسية، سواء من حيث طول العمر أو إنتاج الطاقة بالإضافة إلى توفير كهرباء أنظف بتكاليف أقل. لقد حان الوقت للخلايا الكهروضوئية غير المتجانسة والمتينة حقًا!