ما هي الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة؟

1. ما هي الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة؟

على عكس الجيل الأول من الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أحادي أو متعدد البلورات، يتم تصنيع الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة باستخدام طبقة واحدة أو طبقات متعددة من العناصر الكهروضوئية على سطح يتكون من مجموعة متنوعة من الزجاج أو البلاستيك أو المعدن لتحويلها ضوء الشمس إلى كهرباء . والأكثر استخدامًا في تكنولوجيا الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هي تيلورايد الكادميوم (CdTe)، وسيلينيد غاليوم الإنديوم النحاسي (CIGS)، والسيليكون غير المتبلور (a-Si)، وزرنيخيد الغاليوم (GaAs).

2 هيكل الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تتكون الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من عدد كبير من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة وتستخدم الطاقة الضوئية (الفوتونات) من الشمس لتوليد الكهرباء من خلال التأثير الكهروضوئي ويتضمن أيضًا طبقات وطبقة خلفية وصندوق توصيل، تعمل جميعها معًا لضمان التشغيل الطبيعي للألواح الشمسية.

ما هي الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة؟

الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هي أجهزة إلكترونية تعمل على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية عن طريق التأثير الكهروضوئي. تميل الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى استخدام مواد أقل بكثير - تبلغ سماكة المنطقة النشطة للخلية عادة من 1 إلى 10 ميكرومتر فقط. أيضًا، يمكن عادةً تصنيع الخلايا ذات الأغشية الرقيقة في عملية واسعة النطاق، والتي يمكن أن تكون عملية إنتاج تلقائية ومستمرة.

علاوة على ذلك، تستخدم الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة طبقة رقيقة من أكسيد موصل شفاف، مثل أكسيد القصدير للعمل. في حين أن الخلايا ذات الأغشية الرقيقة مصنوعة من العديد من الحبيبات البلورية الصغيرة من مواد شبه موصلة لإنشاء مجال كهربائي بشكل أفضل مع واجهة تسمى الوصلة غير المتجانسة. بشكل عام، يمكن تصنيع هذا النوع من الأجهزة ذات الأغشية الرقيقة كوحدة واحدة - أي بشكل متجانس - مع ترسيب طبقة فوق طبقة بشكل تسلسلي على بعض الركيزة، بما في ذلك ترسيب طلاء مضاد للانعكاس وأكسيد موصل شفاف.

ما هي الطبقات؟

عادةً ما تحتوي الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة على طبقة رقيقة جدًا (أقل من 0.1 ميكرون) في الأعلى تسمى طبقة "النافذة" لامتصاص الطاقة الضوئية من الطرف عالي الطاقة فقط من الطيف. يجب أن تكون رقيقة بدرجة كافية ولها فجوة نطاق واسعة بما يكفي (2.8 فولت أو أكثر) للسماح لجميع الضوء المتاح عبر الواجهة (الوصلة غير المتجانسة) بالطبقة الممتصة. الطبقة الماصة الموجودة أسفل النافذة، عادة ما تكون من النوع p، ومجهزة بقدرة امتصاص عالية (القدرة على امتصاص الفوتونات) للتيار العالي وفجوة نطاق مناسبة لتوفير جهد جيد.

ما هي الورقة الخلفية؟

باعتبارها بوليمر أو مزيج من البوليمرات مع إضافات مختلفة، تم تصميم الطبقة الخلفية لتوفير حاجز بين الخلايا الشمسية والبيئة الخارجية. من هنا يمكننا أن نرى أن الطبقة الخلفية هي عنصر حاسم في متانة الألواح الشمسية وكفاءتها وطول عمرها.

ما هو مربع تقاطع؟

باعتباره حاوية كهربائية تستخدم لإيواء وحماية التوصيلات الكهربائية، تم تصميم صندوق التوصيل خصيصًا لتوفير بيئة آمنة ومأمونة للتوصيلات الكهربائية وذلك لمنع الاتصال العرضي بالأسلاك الحية ولتبسيط عمليات الصيانة أو الإصلاحات المستقبلية. عادةً ما يتم توصيل صندوق التوصيل الكهروضوئي بالجزء الخلفي من اللوحة الشمسية ويعمل كواجهة الإخراج الخاصة به. تستخدم التوصيلات الخارجية لمعظم الوحدات الكهروضوئية موصلات MC4 لتسهيل التوصيلات المقاومة للعوامل الجوية لبقية النظام. يمكن أيضًا استخدام واجهة طاقة USB.

3 تاريخ تطور الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

يعود تاريخ الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى السبعينيات، عندما بدأ الباحثون استكشافهم الأول لاستخدام الأغشية الرقيقة (a-Si) من أشباه الموصلات لتسخير الطاقة الشمسية، في ذلك الوقت كان الاهتمام بتكنولوجيا الأغشية الرقيقة للاستخدام التجاري وتعزز تطبيقات الفضاء الجوي تطوير الأجهزة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون غير المتبلور.

في الثمانينيات، سهّل التقدم التكنولوجي توسيع مواد الأغشية الرقيقة الموجودة إلى مواد جديدة، مثل تلوريد الكادميوم (CdTe) وسيلينيد الإنديوم الغاليوم النحاسي (CIGS)، الذي يتمتع بكفاءة تحويل أعلى وتكاليف إنتاج أقل.

كانت فترة التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين فترة تقدم كبير في استكشاف الجيل الثالث الجديد من المواد الشمسية، وهي مواد لديها القدرة على التغلب على حدود الكفاءة النظرية للمواد الصلبة التقليدية. تم تطوير منتجات مانج الجديدة مثل الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة والخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية.

في عام 2010 وأوائل عام 2020، شمل الابتكار في تكنولوجيا الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة الجهود المبذولة لتوسيع تكنولوجيا الطاقة الشمسية من الجيل الثالث لتشمل تطبيقات جديدة وخفض تكاليف الإنتاج. في عام 2004، حقق المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) كفاءة قياسية عالمية بنسبة 19.9% ​​لوحدة الأغشية الرقيقة CIGS. وفي عام 2022، تم دمج الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة العضوية المرنة في النسيج.

في الوقت الحاضر، الخلايا الشمسية العضوية المرنة ذات الأغشية الرقيقة المدمجة في التصنيع تجعلها خيارًا أفضل من ألواح السيليكون التقليدية. وقد استحوذت تكنولوجيا الأغشية الرقيقة على ما يقرب من 19٪ من إجمالي الولايات المتحدة. حصة السوق في نفس العام، بما في ذلك 30٪ من الإنتاج على نطاق المرافق.

4. أنواع الألواح الشمسية

هناك عدة أنواع من المواد المستخدمة في صناعة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، وبحسب المواد الخام الخاصة بها يمكن تقسيمها إلى أربعة أنواع 

الألواح ذات الأغشية الرقيقة من تيلورايد الكادميوم (CdTe) هي نوع من الألواح الشمسية التي تستخدم طبقة رقيقة من تيلورايد الكادميوم المترسب على مادة ركيزة، مثل الزجاج أو الفولاذ المقاوم للصدأ، كمادة شبه موصلة. فهي ليست خفيفة الوزن وسهلة التركيب فحسب، بل تتميز أيضًا بإنتاج طاقة عالي في ظروف الإضاءة المنخفضة، مما يعني أنها تستطيع توليد الكهرباء حتى في الطقس الغائم أو الملبد بالغيوم. تشير التقديرات إلى أن الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة CdTe وصلت إلى كفاءة بنسبة 19% في ظل ظروف الاختبار القياسية (STC)، لكن الخلايا الشمسية المفردة حققت كفاءة قدرها 22.1%. ومع ذلك، هناك بعض المخاوف بشأن سمية الكادميوم، لأنه معدن ثقيل يمكن أن يسبب أضرارًا بيئية إذا لم يتم التخلص منه بشكل صحيح.

ل يتم تصنيع ألواح الأغشية الرقيقة من سيلينيد جاليوم النحاس والإنديوم (CIGS) عن طريق وضع طبقة قطب كهربائي من الموليبدينوم (Mo) فوق الركيزة من خلال عملية الاخرق بالمقارنة مع التقنيات الكهروضوئية الأخرى، فهي تتمتع بكفاءة عالية ويمكن أن تحقق كفاءة نظرية تصل إلى 33٪ في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، فهي أقل عرضة للتشقق أو الكسر وسهلة التشغيل. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن التكلفة أعلى نسبيًا من تكلفة التقنيات الأخرى، مما قد يعيق مواصلة تطويرها.

يتم تصنيع ألواح الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون غير المتبلور (a-Si) من خلال معالجة الألواح الزجاجية أو الركائز المرنة، إلى جانب تكوين p-i-n أو n-i-p. تشمل مزايا الألواح ذات الأغشية الرقيقة a-Si مرونتها وبنيتها خفيفة الوزن، مما يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات المحمولة، مثل التخييم أو تشغيل أجهزة الاستشعار عن بعد. ومع ذلك، نظرًا لأن الزجاج الموصل لهذه الألواح باهظ الثمن والعملية بطيئة، فإن سعره مكلف نسبيًا بحوالي 0.69 دولار/واط.

تعد الألواح ذات الأغشية الرقيقة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أكثر تعقيدًا من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة العادية في عملية التصنيع. ومن الجدير بالذكر أنها تحقق كفاءة عالية تصل إلى 39.2% وأكثر مقاومة للحرارة والرطوبة. ومع ذلك، فإن وقت التصنيع، وتكلفة المواد، والمواد عالية النمو، تجعله خيارًا أقل قابلية للتطبيق.

5. تطبيقات الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

باعتبارها فئة ناشئة من بدائل الخلايا الكهروضوئية السيليكونية، تُستخدم الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بشكل أساسي في المجالات التالية.

ل الخلايا الكهروضوئية المتكاملة للبناء (BIPV)

نظرًا لأن الألواح الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة يمكن أن تكون أخف بنسبة تصل إلى 90٪ من ألواح السيليكون، فإن أحد التطبيقات التي بدأت تحظى بشعبية واسعة في جميع أنحاء العالم هو BIPV، حيث يتم توصيل الألواح الشمسية ببلاط السقف والنوافذ والهياكل الضعيفة وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك،  يمكن جعل بعض أنواع الألواح الكهروضوئية الرقيقة شبه شفافة، مما يساعد في الحفاظ على جمالية المنازل والمباني مع إتاحة إمكانية توليد الطاقة الشمسية.

ل تطبيقات الفضاء

نظرًا لمزايا الوزن الخفيف، والكفاءة العالية، ونطاق التشغيل الواسع، وحتى مقاومة الضرر ضد الإشعاع، فإن الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، وخاصة الألواح الشمسية CIGS وGaAs، كانت مثالية للتطبيقات الفضائية.

ل المركبات والتطبيقات البحرية

أحد التطبيقات الشائعة للألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هو تركيب وحدات كهروضوئية مرنة على أسطح المركبات (خاصة المركبات الترفيهية أو الحافلات) وأسطح القوارب والسفن الأخرى، والتي يمكن استخدامها لتشغيل الكهرباء مع الحفاظ في نفس الوقت على الجماليات.

ل التطبيقات المحمولة

وقد وفرت لها قابلية النقل وحجمها تنمية مستدامة في قطاع الإلكترونيات الصغيرة ذاتية التشغيل وإنترنت الأشياء (IoT)، والذي من المتوقع أن ينمو بشكل كبير في السنوات القادمة. ومع تقدمه، يمكن تطبيقه بشكل أكبر في المواقع النائية باستخدام الألواح الشمسية القابلة للطي وبنوك الطاقة الشمسية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تعمل بالطاقة الشمسية وما إلى ذلك.

6. اتجاهات تطوير الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

ومع القبول المتزايد للطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم، وتنفيذ قيود صارمة على الطاقة، والجهود الحكومية المتزايدة لدمج المصادر الخضراء في الشبكة، من المتوقع أن تصل قيمة الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى حوالي 27.11 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030 بمعدل نمو سنوي مركب ملحوظ يبلغ 8.29٪ من 2022 إلى 2030 الزيادة مدفوعة بمزاياها و R&D، نظرًا لأنها اقتصادية للغاية وسهلة الصنع، فإنها تستخدم مواد أقل وتنتج نفايات أقل. و ر&D لتعزيز قدرة الخلايا الشمسية على التحمل والأداء سيخلق أيضًا فرصًا جديدة لنمو السوق.

ومع ذلك، الفرص تأتي جنبا إلى جنب مع التحدي. إن المستويات العالية من المنافسة، والبيئة التنظيمية المتغيرة، فضلاً عن توافر الموارد المالية والموارد النادرة، تعني في الوقت الحاضر أنها قد لا تكون قادرة على الحصول على جزء كبير من حصة السوق العالمية.

7 تحليل الاستثمار في الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

يبدو أن سوق الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة قد تطور في السنوات الأخيرة، وهو ما تحركه عدة عوامل.

ل تحليل نوع المنتج

في عام 2018، أنتج CdTe الكهرباء بسعر أقل بكثير من سعر مصادر الطاقة التقليدية للوقود الأحفوري أو مساويًا له. نظرًا لتكاليف تشغيلها وإنتاجها الرخيصة وغير السامة، تهيمن فئة تلوريد الكادميوم حاليًا على سوق الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في جميع أنحاء العالم، ومن المتوقع أن تستمر في النمو بأسرع معدل طوال فترة التنبؤ.

ل تحليل المستخدم النهائي

قد يؤدي التطوير والبحث المتزايد لخفض تكاليف التركيب والصيانة إلى تعزيز احتياجات المستهلكين. في عام 2022، سيطر سوق المرافق على سوق الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في جميع أنحاء العالم، ومن المتوقع أن يستمر في التطور بأسرع معدل طوال الفترة المتوقعة. . نظرًا لأن الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة تتحلل بوتيرة أبطأ بكثير، فإنها توفر بديلاً محتملاً للألواح الشمسية التقليدية من نوع c-Si.

ل التحليل الإقليمي

وكانت منطقة آسيا والمحيط الهادئ أكبر منطقة في العالم للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في عام 2022، ومن المتوقع أن تستمر في التوسع بأعلى معدل، وهو ما تقوده العديد من العوامل. على سبيل المثال، باعتبارها أكبر أسواق الطاقة الشمسية الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم، تعتزم الصين رفع هدف الطاقة المتجددة من 20% إلى 35% بحلول عام 2030. وتستخدم منشآت الطاقة الشمسية الكهروضوئية على نطاق المرافق في الصين في الغالب تكنولوجيا الأغشية الرقيقة. علاوة على ذلك، أعلنت اليابان أيضًا عن نيتها استخدام الطاقة المستدامة فقط في المستقبل.

8 الأشياء التي يجب مراعاتها بالنسبة للألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة عالية الجودة

عند شراء الألواح الشمسية، لا يجب مراعاة السعر والجودة فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة عوامل أخرى.

ل الكفاءة: يمكن للكفاءة العالية تحويل المزيد من طاقة الشمس إلى كهرباء. بشكل عام، وجود تركيز أعلى من حاملات الشحنة يمكن أن يزيد من كفاءة الخلية الشمسية عن طريق زيادة الموصلية. إن إضافة المكثف إلى الخلية الشمسية لا يساعد فقط على زيادة الكفاءة، بل يمكنه أيضًا تقليل المساحة والمواد والتكلفة اللازمة لإنتاج الخلية.

ل المتانة والعمر: تواجه بعض وحدات الأغشية الرقيقة أيضًا مشكلات تتعلق بالتدهور في ظل ظروف مختلفة. من بين جميع المواد، يُظهر CdTe أفضل مقاومة لتدهور الأداء مع درجة الحرارة. وعلى عكس المواد الرقيقة الأخرى، يميل CdTe إلى أن يكون مرنًا إلى حد ما مع الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة، لكن ألواح CdTe المرنة قد تواجه تدهورًا في الأداء تحت الضغوط أو السلالات المطبقة.

ل الوزن: إنه يشير إلى كثافة الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. بشكل عام، تكون الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة خفيفة الوزن لذا لا يجب أن تخاف من وضع الوزن الساكن على سطح منزلك. ومع ذلك، لا يزال يتعين أخذ الوزن في الاعتبار عند اختيار تلك العناصر لضمان عدم تحميلها بشكل زائد أثناء التثبيت.

ل درجة الحرارة: وهذا يعني الحد الأدنى والحد الأقصى لدرجة الحرارة التي يمكن أن تعمل فيها اللوحة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. بشكل عام، تعتبر أفضل الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ذات درجة حرارة لا تقل عن -40 درجة مئوية ودرجة حرارة قصوى تبلغ 80 درجة مئوية.