حطم باحثون في جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) الرقم القياسي العالمي لكفاءة الخلايا الشمسية الكستريتية، التي تعتبر بديلاً واعداً للألواح الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون. معدن طبيعي موجود بالفعل في الطبيعة
حقق الفريق " أفضل كفاءة على الإطلاق بنسبة 13.2% للخلايا الشمسية الكيستريتية ذات فجوة النطاق العالية والمعززة بالهيدروجين ".
الكستيريت هو معدن طبيعي يتكون من النحاس والزنك والقصدير والكبريت (CZTS). لقد تم الاعتراف به منذ فترة طويلة لإمكاناته في تطبيقات الخلايا الشمسية.
فهي وفيرة وغير سامة ورخيصة الإنتاج إذا تم الحصول عليها بشكل مصطنع مما يجعلها مرشحة جذابة للجيل القادم من تكنولوجيا الطاقة الشمسية.
وقال البروفيسور شياو جينغ هاو، الذي قاد فريق البحث: "لقد وصلت وحدات السيليكون تقريبًا إلى الحد الأقصى لكفاءتها النظرية، لذلك نحاول الإجابة على سؤال الصناعة الكهروضوئية حول كيفية صنع الجيل القادم من الخلايا".
التغلب على تحديات إنتاج الكيستريت
وقد تعرقلت المحاولات السابقة لتسخير إمكانات الكيستريت الكاملة بسبب العيوب التي تشكلت أثناء عملية التصنيع.
"ببساطة، لإنشاء CZTS، عليك أخذ النحاس والقصدير والزنك والكبريت و"طهيها" معًا عند درجة حرارة معينة تحولها إلى مادة يمكن استخدامها كأشباه الموصلات"، يوضح المؤلف. "الجزء الصعب هو التحكم في العيوب التي يتم إدخالها أثناء العملية. لقد أظهرنا في هذا العمل أن إدخال الهيدروجين يمكن أن يضمن أن يكون للعيوب تأثير أقل، وهو ما يُعرف باسم التخميل.
"بما أن الهيدروجين يعدل العيوب داخل CZTS، فإن هذا يساعد على زيادة كفاءته من حيث تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء."
يمكن تنفيذ استخدام CZTS بشكل أفضل في ما يسمى بالخلايا الشمسية الترادفية، والتي تجمع بين خليتين شمسيتين أو أكثر لالتقاط وتحويل المزيد من الطيف الشمسي إلى كهرباء، مما يحسن الكفاءة العامة.
ويأمل البروفيسور هاو أن يؤدي الاكتشاف الجديد إلى تسريع فرص وصول كفاءة CZTS إلى 15% بحلول العام المقبل، ويتوقع تسويقها بحلول عام 2030.
يقول البروفيسور: "لا يزال هناك عمل يتعين القيام به لإيجاد طرق لتقليل العيوب التي نجدها في CZTS، سواء أثناء التصنيع أو من خلال معالجات ما بعد التصنيع".
هذه التقنية، المعروفة باسم التخميل ، تعمل بشكل فعال على تحييد التأثيرات الضارة للعيوب وتسمح للخلايا الشمسية الكستريتية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة محسنة بشكل كبير.
يعتمد هذا الاكتشاف على ست سنوات من البحث الذي أجراه فريق جامعة نيو ساوث ويلز، والذي حقق في البداية كفاءة بنسبة 11.4% لخلايا CZTS. وعندما تم اكتشاف فعالية نشاط التخميل، تم تحقيق قيمة 13.2%. والهدف الآن هو الوصول إلى نسبة 20%، مما يجعل هذه الخلايا قابلة للحياة اقتصاديًا.
وقال البروفيسور هاو: "الصورة الكبيرة هي أننا نريد في نهاية المطاف أن نجعل توليد الكهرباء أرخص وأكثر مراعاة للبيئة".
"تعد مادة CZTS مادة مثالية للخلايا الشمسية لأنها صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة وتتمتع باستقرار طويل المدى."
النتائج التي حصل عليها فريق جامعة نيو ساوث ويلز لها آثار كبيرة على مستقبل الطاقة الشمسية.
مناسبة للخلايا الشمسية جنبا إلى جنب
تعتبر الخلايا الشمسية الكستريتية مناسبة للاستخدام في الخلايا الشمسية الترادفية ، التي تجمع بين مواد مختلفة لالتقاط نطاق أوسع من ضوء الشمس وتحقيق إنتاجية أعلى.
ويشعر الفريق بالتفاؤل بأن هذا الاكتشاف سيمهد الطريق لتسويق الخلايا الشمسية الكيستريتية بحلول عام 2030.
واعترف البروفيسور هاو قائلاً: "لا يزال هناك عمل يتعين القيام به لإيجاد طرق لتقليل العيوب التي نجدها في CZTS، سواء أثناء التصنيع أو من خلال معالجات ما بعد التصنيع".
"لكننا نعلم أنها مادة جيدة. إذا نظرنا إلى المتطلبات من الأسفل إلى الأعلى، فإننا نعلم أننا بحاجة إلى شيء متوفر بكثرة على نطاق واسع، وصديق للبيئة، وله خصائص إلكترونية ضوئية جيدة ويمكن أن يستمر لفترة طويلة - وCZTS يناسب الفاتورة.
يقدم Kesterite حلاً مستدامًا
ويخطط الفريق لاستكشاف مواد بديلة للخلايا الشمسية، بما في ذلك البيروفسكايت.
على الرغم من أن البيروفسكايت يتميز بإنتاجية أعلى، إلا أنه يعاني من مشاكل الاستقرار والسمية، كونه مركب يحتوي في شكله الأساسي على الرصاص. من ناحية أخرى، يقدم الكيستيريت حلاً أكثر استدامة وبيئيًا.
واختتمت قائلة: "عندما تفعل ذلك في الاتجاه المعاكس، من الأعلى إلى الأسفل، ربما باستخدام شيء مثل البيروفسكايت، يمكنك الحصول على أداء وعوائد عالية جدًا في البداية، لكنها أقل استقرارًا وقد تدوم الألواح لمدة عام فقط، لذا فهي غير مستدامة". وبدلا من ذلك، فإننا هنا ننطلق من وضع مستقر، مع عائد منخفض، للتحرك نحو عوائد أعلى.
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بما يتم نشره من مقالات السيناريوهات الاقتصادية الجديدة.
المقالة الجامعة الأسترالية تحقق تأثيرًا كهروضوئيًا قياسيًا باستخدام الكستريت: يأتي غير مكلف وغير سام من السيناريوهات الاقتصادية .