تغطية شاملة

يقوم العلماء بتصميم خلية شمسية تلتقط تقريبًا كل طاقة الطيف الشمسي

التصميم الجديد، الذي يحول ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء بكفاءة تصل إلى 44.5 بالمئة، لديه القدرة على أن يكون الخلية الشمسية الأكثر كفاءة في العالم.

خلية شمسية مكدسة. الرسم التوضيحي: ماثيو لامب
خلية شمسية مكدسة. الرسم التوضيحي: ماثيو لامب

ساعد باحث من جامعة جورج واشنطن في تصميم وبناء نموذج أولي جديد للخلية الشمسية يجمع بين خلايا متعددة مكدسة في جهاز واحد يمكنه التقاط كل الطاقة الموجودة في الطيف الشمسي تقريبًا.
والتصميم الجديد، الذي يحول ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء بكفاءة تصل إلى 44.5 بالمئة، لديه القدرة على أن يكون الخلية الشمسية الأكثر كفاءة في العالم.
ويختلف هذا النهج عن الألواح الشمسية التي تراها عادة على الأسطح أو في الحقول. يستخدم الجهاز الجديد ألواحًا تحتوي على مكثف كهروضوئي (PV) مع عدسات تعمل على تركيز أشعة الشمس على خلايا شمسية صغيرة الحجم. ونظرًا لصغر حجمها -أقل من ملليمتر مربع واحد- فإن الخلايا الشمسية التي تستخدم مواد أكثر تطورًا يمكن تطويرها بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
ونشرت الدراسة التي تحمل عنوان "الخلايا الشمسية القائمة على أنتيمون الغاليوم لحصد طاقة الطيف الشمسي الكامل" في مجلة "مواد الطاقة المتقدمة".
وقال ماثيو لامب، المؤلف الرئيسي للدراسة وعالم الأبحاث في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية، إن الخلية المكدسة تعمل تقريبًا مثل غربال لأشعة الشمس، والمواد الخاصة في كل طبقة تمتص طاقة مجموعة محددة من الأطوال الموجية. ومع مرور الضوء عبر المكدس بأكمله، يتم تحويل ما يقل قليلاً عن نصف الطاقة المتاحة إلى كهرباء. وعلى سبيل المقارنة، فإن الخلية الشمسية الأكثر شيوعًا اليوم تحول ربع الطاقة المتاحة فقط إلى كهرباء.
وقال: "حوالي 99% من الطاقة الموجودة في ضوء الشمس المباشر الذي يصل إلى سطح الأرض تقع بين الأطوال الموجية 250 نانومتر و2,500 نانومتر، لكن المواد المعتادة للخلايا الشمسية ذات الوصلات المتعددة والكفاءة العالية لا يمكنها التقاط هذا النطاق الطيفي بأكمله". دكتور لامب. "جهازنا الجديد قادر على إطلاق الطاقة المخزنة في الفوتونات ذات الطول الموجي الطويل، والتي تُفقد في الخلايا الشمسية العادية، وبالتالي يتيح طريقًا لتحقيق الخلية الشمسية النهائية متعددة الوصلات."
لقد عمل العلماء على تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة لسنوات، ولكن هذا النهج له جانبان جديدان. ويستخدم مجموعة من المواد القائمة على ركائز أنتيمون الغاليوم (GaSb)، والتي توجد عادة في كاشف الضوء وتطبيقات الليزر بالأشعة تحت الحمراء. يتم تجميع هذه الخلايا الشمسية القائمة على GaSb في هيكل مكدس مع خلايا شمسية عالية الكفاءة مزروعة على ركائز تقليدية تلتقط الفوتونات الشمسية بأطوال موجية أقصر. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم عملية التجريد تقنية تسمى طباعة النقل، والتي تتيح التجميع ثلاثي الأبعاد لهذه الأجهزة الصغيرة بدقة عالية.
هذه الخلية الشمسية بالذات باهظة الثمن، لكن الباحثين يعتقدون أنه من المهم إظهار الحد الأعلى لما هو ممكن من حيث الكفاءة. ويقول الباحثون إنه على الرغم من التكاليف الحالية للمواد المستخدمة، فإن التقنية المستخدمة في إنشاء الخلايا تبدو واعدة. وفي النهاية، سيكون من الممكن طرح منتج مماثل في السوق، وهو ما سيكون ممكنًا من خلال خفض التكاليف بسبب المستويات العالية جدًا من تركيز الطاقة الشمسية وتقنيات إعادة تدوير الوسائط المتزايدة باهظة الثمن.

يعتمد البحث على التطورات التي تم إجراؤها في برنامج MOSAIC، وهو مشروع بحثي بقيمة 24 مليون دولار تموله وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة - الطاقة التي تمول 11 فريقًا منفصلاً في جميع أنحاء الولايات المتحدة يشاركون في تطوير التقنيات والأفكار التي ستحدث ثورة في الأداء. الكهروضوئية وخفض التكاليف. ويقول الباحثون إن تمويل هذا النوع من الأبحاث ضروري لتطوير تقنيات تجارية قابلة للتطبيق في المستقبل.

لإشعار الباحثين

للمادة العلمية

 

تعليقات 8

  1. الحلول يمكن أن تبقى في الحضيض لسنوات ولن تبدأ الثورة إلا إذا تغير التوازن الاقتصادي بين التكنولوجيا القديمة والجديدة، أي استخراج العمليات من القاعدة إلى القمة.
    هناك فجوة هنا يمكن حلها من الناحية النظرية، ولكن من الناحية العملية على الأرجح لا.
    إن الطريقة الوحيدة لتعزيز الاتجاهات الصحيحة ومنع الأنانية تكاد تكون تناقضا لفظيا في المرحلة الحالية والاسم الدقيق هو: "المعجزة" والمعجزات تحدث إما عندما نكون راكعين على ركبنا أو نتخلى عن تفردنا ونصبح جسدا واحدا و لذلك تقريبا تناقض لفظي،
    لكي أخفف من ردة فعل الجزء منك الذي لا يحب الواقع بآخر (وليس الخيال) سأطرح عليك سؤالا - بما أننا جميعا نعلم أن التكنولوجيا المذكورة أعلاه - ممكنة، فلماذا تكون المناقصات بهذه الضخامة فازت الشركات، والتي من ناحية - على ما يبدو أن هناك الجزرة - سعر الكهرباء الذي اشتراه أصحاب الامتياز الرخيصون، هناك الكثير من التكنولوجيا -: "جيد للصناعة" ....... تبدو جيدة، تبدو جيدة، ولكن يمكن أن تكون بالفعل أفضل بكثير.
    لا تحتاج إلى عداد صافي أو مضخات دوامية أو مضخات حرارية أو أي شيء يغطي أعين الخيارات مثل الجمع بين التكنولوجيا الكهروضوئية وتقنية تخزين البطارية والاستمرار في استخدامها لأغراض مع تركيبات أخرى صحيحة.

  2. ماذا يبيعون؟ قامت شركة Spectrolab Ltd. بتطوير خلايا شمسية بكفاءة تقارب 50% منذ بضع سنوات. الشركة تابعة لشركة بوينغ. افتح الموقع وانظر. وتستخدم هذه الألواح في الأقمار الصناعية بسبب سعرها المرتفع. لن تكون أبدًا مخصصة للاستخدام المنزلي. هناك تقنية أخرى ذات أداء مماثل تسمى التحويل الطيفي حيث يتم نقل طيف الضوء إلى المنطقة التي تكون فيها اللوحة بأقصى قدر من الكفاءة. من الممكن بهذه الطريقة الوصول إلى 85% نظريا، لكن عمليا لن تتجاوز النتيجة 65%. اترك التفاصيل لجهة الاتصال وستتلقى المزيد من المعلومات حول هذا الموضوع. إذا كان هناك مستثمر مهتم هنا، فسنكون سعداء بإطلاعه على آخر المستجدات.

  3. في رأيي الخلايا الشمسية من نوع أو آخر هي المستقبل وهذا ما سيحل كل مشاكلنا مع انيرجيا مع الاحتياطي الفيدرالي والاحتباس الحراري....
    يجب أن تحتوي جميع الأسطح في الدولة على خلايا شمسية، ويجب أن يكون ذلك مشمولاً في القانون، كما هو مطلوب لتركيب سخان شمسي.
    لكن المشكلة على الأرجح هي تضارب المصالح والسياسة، ويبدو أن شركة الكهرباء والدولة المستفيدة من الوقود ليست مهتمة به.

  4. ستأتي الثورة من انخفاض تكاليف الإنتاج. وحتى أكثر من تحسن في البطاريات. الطاقة الخضراء لا تساوي الكثير بدون وسيلة فعالة لتخزين الكهرباء. سيأتي التحسن الكبير بفضل عالم السيارات الذي سيصبح كهربائيًا.
    وربما تكون مساهمتها في تطوير تقنيات البطاريات الكبيرة، وما لا يقل أهمية، تطوير تقنيات إنتاج أرخص، أكبر من المساهمة المباشرة في الحد من التلوث. (بالطبع هناك اختلاف في متطلبات بطارية السيارة وبطارية تخزين الطاقة الخضراء. يتم التركيز في السيارة على الوزن والحجم وضغط الطاقة. أما بالنسبة لتخزين الطاقة، يكون الحجم أقل أهمية والوزن أقل أهمية. ليس مهما على الإطلاق، وللتحقق من ذلك فإن سعر الوحدة وكمية الطاقة المهدرة في الشحن هي الأهم.

  5. كونان
    بخصوص 2: هذا صحيح ولكن... ماذا يحدث إذا كان هناك إشعاع كثير في الموجات الطويلة وأقل في الموجات القصيرة؟ في هذه الحالة، ألا ينبغي عليك التركيز على الموجات الطويلة؟

  6. وهذا كله جيد وجيد، ولكن:
    1. منذ عدة سنوات، قرر في التجارب استخدام النطاق الكامل لطيف الشمس من أجل تحسين استخدام ضوء الشمس. لا أتذكر إذا كانت نفس المجموعة أو مجموعة مختلفة من العلماء - ولكن منذ ذلك الحين لم يتم نشر أي تقدم وحالة البحث - هل بسبب صعوبات علمية أم صعوبات في الميزانية؟
    2. الضوء ذو الطول الموجي الأطول لديه طاقة أقل مقارنة بالأطوال الموجية الأقصر؛ إذا كان الأمر كذلك، فلماذا لا نستخدم الأشعة فوق البنفسجية فئة A والأشعة فوق البنفسجية فئة B لزيادة الطاقة المنتجة من طيفنا الشمسي، بدلاً من استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء؟
    3. أخيرًا، أثناء استخدام الخلية الكهروضوئية، هناك آليتان مهمتان: إحداهما هي القدرة على إنشاء فصل شحنة سهل نسبيًا في الذرة/الجزيء المستخدم، والأخرى هي منع إعادة التركيب، حيث يتم فصل الشحنة يعود ويتصل، بحيث في الواقع لم نستفد من امتصاص الضوء. لماذا لا توجد إشارة إلى هذه العمليات؟

  7. في النهاية، الأمر كله يتعلق بالسعر، فقد تمكنوا بالفعل من الوصول إلى كفاءة تصل إلى 40٪ تقريبًا باستخدام خلية زرنيخيد الغاليوم (عقدة واحدة)، (وأعتقد أنه مع هيكل من عدة عقد، وصلوا إلى كفاءة 60%) ولكن مع ذلك، باستثناء التطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية في معظم أنحاء العالم، يتم استخدام الخلايا من السيليكون (بكفاءة في حدود 10%)، لأن السيليكون أرخص بكثير (سواء كمادة خام أو من حيث عمليات الإنتاج).
    يمكن أن تأتي الأفكار الثورية في هذا المجال من اتجاهين محتملين:
    1. إنشاء هيكل من عدة عقد من السيليكون - على الرغم من أن السيليكون به فجوة غير مباشرة، إلا أن تقنيات التصنيع تسمح بالدقة في إنشاء هياكل بحجم النانومتر (بتكلفة منخفضة نسبيًا).
    2. الانتقال إلى تقنية لا تعتمد على أشباه الموصلات (وبالتالي لا تعتمد على فجوة الطاقة للمادة)، على سبيل المثال استخدام هوائيات النانو، أو البصريات غير الخطية (هناك العديد من التحديات في هذا المجال التي لم يتم التغلب عليها بعد)، ولكن على حد علمي من الناحية النظرية، من الممكن تحقيق كفاءات عالية جدًا في هذه التقنيات (حوالي 80٪)

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.