المسار التطوري للتكنولوجيا الكهروضوئية: من Al-BSF إلى ترادفات البيروفسكايت

لقد تغيرت صناعة الخلايا الكهروضوئية بسرعة كبيرة بسبب التكنولوجيا على مدى الخمسين عامًا الماضية. أدى السعي لتحقيق كفاءة أكبر وتكلفة منخفضة للكهرباء (أو LCOE) وتحسين قابلية التصنيع إلى ظهور أجيال عديدة من تكنولوجيا الخلايا الشمسية. بدءًا من تصميمات السيليكون البلورية البسيطة وحتى الهياكل الترادفية المتقدمة، يمثل كل جيل تطورًا علميًا ومنافسة شرسة بين الشركات المصنعة مما يؤدي إلى تنفيذ -على نطاق واسع في الصناعة. في المقال أدناه سوف ندرس أهم المعالم في تطور التكنولوجيا الكهروضوئية بما في ذلك التقنيات السائدة، وابتكاراتها، والتكنولوجيات الجديدة والمتطورة التي تغير كيفية إنتاج واستهلاك الطاقة الشمسية.

لعقود من الزمن، كان معيار الصناعة هو خلية مجال السطح الخلفي المصنوعة من الألومنيوم (Al-BSF). يتميز هذا الهيكل البسيط والفعال، والذي يعتمد عادةً على السيليكون أحادي البلورية أو متعدد البلورات من النوع p-، بمساحة تلامس خلفية كاملة من الألومنيوم-. وكانت عملية التصنيع ناضجة نسبيًا ومنخفضة التكلفة-، مما أتاح أول تسويق تجاري واسع النطاق للطاقة الشمسية. ومع ذلك، كان لدى Al-BSF قيود أساسية: إعادة تركيب السطح الخلفي الشديد-. سوف تتحد الإلكترونات المتولدة بالقرب من السطح الخلفي بسهولة، مما يحد من جهد الدائرة المفتوحة للخلية، وبالتالي سقف كفاءتها العملية إلى حوالي 18-19%. بحلول أوائل عام 2010، أصبح من الواضح أن شركة -BSF لم تعد قادرة على تلبية أهداف كفاءة الصناعة، مما أدى إلى البحث عن هيكل أفضل.

وجاء هذا الاختراق مع بنية الباعث الخامل والخلية الخلفية (PERC). تم اختراع PERC في البداية في الثمانينيات ولكن تم تسويقه تجاريًا على نطاق واسع فقط في الفترة ما بين 2015-2018، وقد قدم PERC ابتكارًا مهمًا: طبقة التخميل (عادةً أكسيد الألومنيوم) على السطح الخلفي. تعمل هذه الطبقة على صد ناقلات الأقلية وتقليل إعادة التركيب بشكل كبير، مما يتيح جهدًا أعلى وتحسين محاصرة الضوء. أدت خلايا PERC بسرعة إلى رفع كفاءة الإنتاج الشامل- من 19% إلى أكثر من 23%، ولم تتطلب عملية التصنيع سوى تعديلات هامشية على خطوط Al-BSF الحالية. ونتيجة لذلك، أصبحت PERC التكنولوجيا السائدة بلا منازع لما يقرب من عقد من الزمن. ومع ذلك، بحلول عام 2022-2023، بدأت PERC في الاقتراب من حد الكفاءة النظرية الذي يبلغ حوالي 24.5%، مما أدى إلى تناقص العوائد ومشكلة التدهور الناجم عن الضوء (LID)، مما يمهد الطريق للجيل القادم.

مع اقتراب الحد الأقصى لـ PERC، تحول الضوء إلى رقائق السيليكون من النوع n، والتي توفر فترة حياة حاملة أقلية فائقة وLID صفر. ظهرت بنيتان في المقدمة-.

بدأ إنشاء TOPCon بتطوير هياكل شبيهة بـ PERC-. يتضمن التحسين استخدام طبقة رقيقة جدًا من أكسيد النفق العازل مع طبقة بولي سيليكون عالية السطح -مطعمة بالخلف-. وهذا يؤدي إلى جودة متميزة في كل من الاتصال والتخميل. تجاوزت TOPCon بسرعة 25% من الكفاءة في الإنتاج الضخم للخلايا، حيث أبلغت بعض أكبر الشركات المصنعة للخلايا عن كفاءة تزيد عن 26% في بعض الأحيان. ومن المزايا الهامة الأخرى لـ TOPCon قدرتها على العمل على خطوط إنتاج PERC الحالية، والتي تتطلب الحد الأدنى من إضافات الأدوات، مما يمنحها ميزة اقتصادية واضحة وترسيخ نفسها كتقنية سائدة في أواخر عام 2025.

يعمل HJT على تخميل سطح الرقاقة البلورية من النوع n-باستخدام طبقات السيليكون غير المتبلورة. يوفر HJT فولتية عالية للغاية للدائرة المفتوحة - (أكبر من 750 مللي فولت)، وخطوات عملية أقل، ومعامل درجة حرارة أقل، كما أنه ثنائي الجانب بشكل طبيعي. على الرغم من أن كفاءات HJT أقل قليلاً من كفاءات TOPCon، إلا أن استثماراتها المرتفعة المطلوبة واستخدامها الكبير للإنديوم أعاقت السرعة التي يمكن أن تخترق بها التكنولوجيا السوق. ومع ذلك، لا تزال شركة HJT منافسًا قويًا في السوق، خاصة عند الاستفادة من تقنيات توفير-النحاس أو الفضة-.

وبالنظر إلى المستقبل، هناك تقنيتان تعدان بإعادة تعريف سقف الكفاءة. تعمل خلايا الاتصال الخلفية المتداخلة (BC) على نقل جميع نقاط الاتصال الكهربائية إلى الجانب الخلفي، مما يؤدي إلى التخلص من تظليل الشبكة الأمامية- بالكامل. ويؤدي هذا إلى الحصول على مظهر أنيق باللون الأسود-وزيادة في الكفاءة بنسبة 0.5-1% بشكل مطلق مقارنة بـ TOPCon القياسي. لقد دفع قادة الصناعة BC إلى الإنتاج الضخم، ووضعوه على أنه التكرار الرئيسي التالي.

هناك شكل أكثر تعقيدًا من تكنولوجيا الخلايا الشمسية وهو الخلية الشمسية الترادفية، التي تتكون من خلية علوية من البيروفسكايت (لالتقاط-فوتونات ذات طاقة أعلى) وخلية سفلية من السيليكون (لالتقاط-فوتونات طاقة أقل) مجمعة معًا في وحدة واحدة، وقد دفعت كفاءة الخلايا الشمسية إلى ما يتجاوز عتبة 30% ولديها حاليًا كفاءات معملية تزيد عن 33%. تشمل العقبات المتبقية أمام هذه التكنولوجيا ما يلي: الاستقرار، والتصنيع على مساحة كبيرة، وسمية الرصاص. أنشأت كبرى الشركات المصنعة بالفعل خطوطًا تجريبية للإنتاج تحسبًا لحل هذه المشكلات، وإذا أمكن معالجة هذه العقبات، فسيكون لترادف البيروفسكايت تأثير كبير على استخدام الطاقة الشمسية، ومن المحتمل جدًا أن يؤدي ذلك إلى زيادة كفاءة المنتجات المنتجة بكميات كبيرة-بنسبة أعلى من 35%.

يعد تكرار التكنولوجيا في صناعة الطاقة الكهروضوئية بمثابة سرد رائع للتحسين المستمر والاستبدال الاستراتيجي. بدءًا من بساطة Al-BSF وحتى هيمنة PERC، ومن سباق الكفاءة TOPCon وHJT إلى الوعد الجذري لترادف BC والبيروفسكايت، فتحت كل مرحلة مستويات جديدة من الأداء وفعالية التكلفة-. اليوم، تقف الصناعة عند مفترق طرق مثير: في حين أن TOPCon يحرك الحجم الحالي، فإن تقنيات BC والتقنيات الترادفية تستعد لتحديد العقد القادم. ويؤكد هذا التطور المستمر حقيقة بسيطة، وهي أن الثابت الوحيد في مجال الطاقة الشمسية هو السعي وراء طرق أكثر كفاءة لحصد طاقة الشمس التي لا حدود لها.