المصدر: solarindustrymag.com
باحثون في وزارة الطاقة الأمريكيةالمختبر الوطني للطاقة المتجددة(NREL) أنشأت خلية شمسية بكفاءة قياسية بلغت 39.5 بالمائة تحت إضاءة الشمس العالمية 1-. هذه هي أعلى خلية شمسية كفاءة من أي نوع ، ويتم قياسها باستخدام ظروف الشمس القياسية 1-.
"الخلية الجديدة أكثر كفاءة ولديها تصميم أبسط قد يكون مفيدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة ، مثل التطبيقات محدودة المساحة أو تطبيقات الفضاء منخفضة الإشعاع" ، كما يقول مايلز شتاينر ، العالم الأول في NREL's High-Efficiency مجموعة الخلايا الكهروضوئية البلورية (PV) والباحث الرئيسي في المشروع. كان يعمل جنبًا إلى جنب مع زملائه في NREL ريان فرانس وجون جيز وتاو سونج ووالدو أولافاريا وميشيل يونج وآلان كيبلير.
تم تحديد تفاصيل التطوير في الورقة البحثية "الخلايا الشمسية ثلاثية الوصلات مع 39.5 بالمائة من الأرض و 34.2 بالمائة من كفاءة الفضاء التي تم تمكينها من خلال الشبكات الفائقة لآبار الكم السميكة" ، والتي ظهرت في عدد مايو من مجلة جول.
سجل علماء NREL سابقًا رقمًا قياسيًا في عام 2020 بخلية شمسية فعالة من ست وصلات بنسبة 39.2 بالمائة باستخدام مواد III-V.
اعتمد العديد من أفضل الخلايا الشمسية الحديثة على بنية متعددة الوصلات المتحولة (IMM) التي تم اختراعها في NREL. تمت الآن إضافة هذه الخلية الشمسية IMM ثلاثية الوصلات المُحسّنة حديثًا إلى أفضل مخطط كفاءة لخلايا البحث. يتضمن الرسم البياني ، الذي يُظهر نجاح الخلايا الشمسية التجريبية ، سجل IMM ثلاثي الوصلات السابق بنسبة 37.9 بالمائة الذي أنشأته شركة Sharp Corporation اليابانية في عام 2013.
جاء التحسن في الكفاءة بعد البحث في الخلايا الشمسية "البئر الكمي" ، والتي تستخدم العديد من الطبقات الرقيقة جدًا لتعديل خصائص الخلايا الشمسية. طور العلماء خلية شمسية بئر كمي بأداء غير مسبوق ونفذوها في جهاز به ثلاثة تقاطعات ذات فجوات نطاق مختلفة ، حيث يتم ضبط كل تقاطع لالتقاط واستخدام شريحة مختلفة من الطيف الشمسي.
المواد III-V ، التي سميت بهذا الاسم بسبب مكانها في الجدول الدوري ، تغطي نطاقًا واسعًا من فجوات الطاقة التي تسمح لها باستهداف أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي. يتكون الوصل العلوي من فوسفيد إنديوم الغاليوم (GaInP) ، ووسط زرنيخيد الغاليوم (GaAs) مع الآبار الكمومية ، والجزء السفلي من زرنيخيد الغاليوم الإنديوم غير المتطابق (GaInAs). تم تحسين كل مادة بشكل كبير على مدى عقود من البحث.
"العنصر الأساسي هو أنه في حين أن GaAs مادة ممتازة وتستخدم بشكل عام في الخلايا متعددة الوصلات III-V ، إلا أنها لا تحتوي على فجوة الحزمة الصحيحة لخلية ثلاثية الوصلات ، مما يعني أن توازن التيارات الضوئية بين الخلايا الثلاث ليس هو الأمثل ، "تعليقات فرنسا ، كبير العلماء ومصمم الخلايا. "هنا ، قمنا بتعديل فجوة الحزمة مع الحفاظ على جودة المواد الممتازة باستخدام الآبار الكمية ، والتي تمكن هذا الجهاز والتطبيقات الأخرى المحتملة."
استخدم العلماء الآبار الكمومية في الطبقة الوسطى لتوسيع فجوة الحزمة لخلية GaAs وزيادة كمية الضوء التي يمكن أن تمتصها الخلية. الأهم من ذلك ، أنهم طوروا أجهزة آبار كمومية سميكة بصريًا دون فقد كبير للجهد. تعلموا أيضًا كيفية فصل الخلية العلوية GaInP أثناء عملية النمو من أجل تحسين أدائها وكيفية تقليل كثافة خلع الخيوط في GaInAs غير المتطابقة الشبكية ، والتي تمت مناقشتها في منشورات منفصلة. إجمالاً ، تشكل هذه المواد الثلاث تصميم الخلية الجديد.
تُعرف خلايا III-V بكفاءتها العالية ، لكن عملية التصنيع كانت باهظة الثمن تقليديًا. حتى الآن ، تم استخدام خلايا III-V لتشغيل تطبيقات مثل الأقمار الصناعية الفضائية والمركبات الجوية غير المأهولة والتطبيقات المتخصصة الأخرى. يعمل الباحثون في NREL على تقليل تكلفة تصنيع خلايا III-V بشكل كبير وتوفير تصميمات خلايا بديلة ، مما سيجعل هذه الخلايا اقتصادية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة.
تم اختبار الخلية III-V الجديدة أيضًا لمعرفة مدى فعاليتها في التطبيقات الفضائية ، خاصة بالنسبة لأقمار الاتصالات ، التي تعمل بالخلايا الشمسية والتي تعتبر كفاءة الخلايا العالية فيها أمرًا بالغ الأهمية ، وجاءت بنسبة 34.2 في المائة لبداية- قياس الحياة. التصميم الحالي للخلية مناسب للبيئات منخفضة الإشعاع ، ويمكن تمكين تطبيقات الإشعاع العالي من خلال مزيد من التطوير لهيكل الخلية.
NREL هو المختبر الوطني الأساسي لوزارة الطاقة الأمريكية للبحث والتطوير في مجال الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة. يتم تشغيل NREL لصالح وزارة الطاقة من قبل Alliance for Sustainable Energy LLC.
