طور فريق بحثي كندي مؤخرًا خلايا شمسية ميكروية من النوع III-V بمقياس ميكرومتر للاستخدام في تقنيات الخلايا الشمسية المركزة (CPV) ، هذه الخلايا تعتمد على الفوسفيد الإنديوم-غاليو (InGaP)، زرنيخيد الإنديوم-غاليو (InGaAs)، و الجرمانيوم (Ge) وتحتوي على منطقة نشطة تبلغ 0.25 مم². هذه الخلايا يمكن استخدامها في تطبيقات الطاقة الشمسية المركزة.
الخلايا الشمسية III-V إمكانيات عالية بتكلفة مرتفعة
تعتبر الخلايا الشمسية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وغيرها من المواد III-V من بين المواد الأكثر كفاءة في إنتاج الطاقة الشمسية. ومع ذلك، فإن تكاليف إنتاجها المرتفعة قد حدت حتى الآن من استخدامها في التطبيقات المتخصصة مثل الأقمار الصناعية والطائرات بدون طيار. في هذه الأجهزة، يكون الوزن المنخفض والكفاءة العالية أكثر أهمية من تكلفة الطاقة المنتجة.
وفي هذا السياق، قال العلماء: “العيب الرئيسي في هذه المواد هو تكلفتها، حيث تتجاوز تكلفة المواد المستخدمة فيها بمقدار أكثر من مرتين مقارنة بالتقنيات المستخدمة على نطاق واسع”. ومن هنا تأتي أهمية تقنية الخلايا الشمسية المركزة (CPV) التي تساهم في تقليل التكاليف عبر إضافة العدسات المركزة إلى الخلايا الشمسية، مما يقلل الحاجة لاستخدام مواد III-V باهظة الثمن.
الابتكار في الخلايا الشمسية الميكروية
الخلايا الشمسية الميكروية التي تم تطويرها من قبل الباحثين الكنديين تعتمد على مكونات InGaP/InGaAs/Ge مع منطقة نشطة صغيرة جدًا تبلغ 0.25 مم². هذا الابتكار سمح للفريق بالحصول على أعلى جهد دائرة مفتوحة مقارنة بأي خلايا أخرى من نفس الحجم وفقًا لما هو موجود في الأدبيات العلمية.
قال كوريانتين جوانو، الباحث الرئيسي في الدراسة: “لقد حققنا أعلى جهد دائرة مفتوحة لخلايا InGaP/InGaAs/Ge من أحجام مختلفة وفقًا لما هو معروف لدينا”. وأضاف: “كما حققت الخلية كفاءة تحويل طاقة تجاوزت الـ 30% ”
التقنيات المستخدمة في التصنيع
في ورقتهم البحثية التي نُشرت في مجلة “Solar Energy Materials and Solar Cells”، شرح الفريق كيفية بناء الخلية باستخدام معدن ملامس من النيكل (Ni) و الذهب (Au)، بالإضافة إلى طبقة مقاومة للانعكاس تعتمد على سيليكون نيتريد (SiN) و سيليكون أكسيد (SiO) ، كما أشاروا إلى استخدام عملية البلازما التي أسهمت في تقليل الخسائر إلى أقل من 10% وتصميم أشكال معقدة.
من خلال استخدام نقش البلازما، تمكن الفريق من عزل الخلايا وتصنيعها بأحجام وأشكال مختلفة، بدءًا من 12.25 مم إلى 0.01 مم. وشمل ذلك أشكالًا متنوعة مثل الدائرة، المثلث، ورقة القيقب، والسداسي.
الاختبارات والنتائج المثيرة
تم اختبار الخلايا تحت ظروف إضاءة قياسية، وكانت الخلية التي تبلغ مساحتها 0.25 مم² هي الخلية الأكثر كفاءة، حيث حققت كفاءة تبلغ 30.61% مع جهد دائرة مفتوحة قياسي بلغ 2.39 فولت. وقد نُسب هذا الإنجاز إلى المعاملات الجانبية الممتازة. أما الخلايا الصغيرة جدًا التي تبلغ مساحتها 0.01 مم²، فقد حققت كفاءة 21.40%
الهدف من هذه الخلايا
وأوضح الباحثون أن هذه الخلايا لم تُصنع بالأساس لتحقيق أداء عالٍ، بل كان الهدف الرئيسي هو إظهار إمكانيات تقنية نقش البلازما. وأكدوا أن عملهم كان يهدف بشكل أساسي إلى تحديد الخلايا التي تأثرت بشكل كبير بإعادة التركيب على الأطراف.
الختام
هذا البحث يمثل تقدمًا كبيرًا في تقنيات الخلايا الشمسية المركزة والمواد المستخدمة في تصنيعها. ومع استمرار البحث في تحسين الكفاءة وتقليل التكاليف، يتوقع أن تكون هذه الخلايا جزءًا أساسيًا من حلول الطاقة المتجددة في المستقبل.
