تطور تكنولوجيا الخلايا الشمسية ودورها في الطاقة المتجددة

وتسلم الشمس طاقة كافية للأرض في ساعة واحدة لتلبية الطلب العالمي على الطاقة لسنة كاملة، ويتوقف الحصول على جزء من هذا المورد على تكنولوجيا الفوتاتيك التي تطورت من فضول مختبري إلى العمود الفقري للتحول في الطاقة النظيفة على عدة طليعات، وتؤثر تنمية الخلايا الشمسية الآن على أسواق الكهرباء والأمن الوطني ودبلوماسية المناخ، مما يجعل مسارها التقني موضوعا من البحوث المكثفة.

الخلايا الشمسية العملية الأولى

وقد بدأ عصر الفول المتطور الحديث في عام 1954 في مختبرات بيل تليفون حيث كان داريل شابين وكالفين فولر وجيرالد بيرسون قد جهز خلية من السليكون ذات كفاءة تحويلية تبلغ نحو 6 في المائة، وقد جاء هذا الانجاز بعد عقود من Alexandre-Edmond Becquerel لأول مرة لاحظ التأثير الفولطائي الضوئي في عام 1839.

وقد تم قطع هذه الخلايا المبكرة من وورفرات السيليكون الوحيدة الكريستال باستخدام عملية كزوشيراكالسكي، وهي تقنية لا تزال مهيمنة اليوم، وتكلفة هذه الخلايا، التي تتجاوز 100 دولار للواتو في الستينات، تقتصر على استخدامات النيتشير مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية النائية والبعثات الفضائية، ومع ذلك، فإن أزمات شبكات النفط في السبعينات أدت إلى حفز البحوث الممولة من الحكومة، ولا سيما في الولايات المتحدة واليابان وألمانيا، التي أدت إلى انخفاض أسعار الوحدات.

How Solar Cells Work: The Photovoltaic Effect

وفي قلبها، تحول خلية شمسية صوراً إلى أزواج للثقوب الكهربائية في شبه موصل، وتفصلها عن طريق حقل كهربائي مبني، وينتج الباحثون الأكثر شيوعاً لأنها وفرة ومستقرة وتمتلك فجوة في نطاق 1.1 فولط كهربائي - سقفاً مثالياً للطيف الشمسي.

The Efficiency Journey: From 6% to beyond 40%

وكان تحسين كفاءة التحويل مسعى مركزيا لأن كل نقطة مئوية من المكاسب تقلل من الأرض، ومن معدات موازين النظام، ومن العمل اللازم لتحقيق ناتج معين، ويروي الجدول الزمني القصة:

• 1954:] Bell Labs silicon cell – 6%
• 1985:] University of New South Wales surpasses 20% for silicon cells
• 1999: ] NREL achieves 33.3% with a multi-junction gallium arsenide cell under concentrated sunlight
• 2014:] First perovskite cells exceed 20% in a single-junction layout
• 2023:] Fraunhofer ISE sets a polyline silicon cell record of 26.8%
• 2024:] Oxford PV declares a perovskite-silicon tandem module with 26.9% in a full-area commercial-size wafer

وتُظهر خلايا متعددة الزوابق، مصممة أصلاً للفضاء، ومطبقة على طبقات مختلفة من النطاقات، من أجل استخلاص مباديء أوسع نطاقاً من الطيف، بينما يُعتمد في سجل المختبر الحالي لخلية من أربع مقاطعات تحت التركيز على 47.6 في المائة، تحددها باحثات في مجال الطاقة الكهربائية ، وفي حين تعتمد أجهزة الأشعة فوق الكثيفة على مواد باهلوتوغرافية ذات تكلفة

الجيل الأول: كريستالين سيليكون

وتخفض خلايا الشاشة البلورية، التي تقطع من الغوغاء الواحد، أوجه الكفاءة التجارية أكثر من 23 في المائة، وتخفض خلايا الوكر البوليسترين، التي تشكل من أحجار متعددة، وتكلف أقل لإنتاجها، ولكنها عادة ما تكون أعلى من الكفاءة بنسبة 20 في المائة، ويهيمن عليها السوق، ويشكلان نحو 95 في المائة من الإنتاج العالمي من الفلول الخماسي الكلور.

ثاني جيل: تكنولوجيات ثين - فيلم

وقد دخلت مادة " كيد تي " و " غلينيد " التي تسبب فيها الكهف في الصوديوم، في الإنتاج التجاري في العقد الأول، وهي تحتاج فقط إلى طبقات نشطة تعمل بالميكرومتر، وتخفض بشدة استخدام المواد، وتسمح بنموذج مرن، وقد عبرت ألواح الرشاقة الأولى في إنتاج وإخراجها من المصانع في درجات حرارة عالية من حيث الحجم.

الجيل الثالث: المفاهيم الناشئة

وقد سرقت خلايا شمسية من طراز Perovskite الضوء منذ عام 2012 لأن كفاءتها قد أطلقت من 3.8 في المائة إلى أكثر من 26 في المائة في شكليات ذات اتجاه واحد في عقد فقط، وتُسمى بعد المعدن ذي الهيكل البلوري المماثل، يمكن معالجة المواد المزروعة من سلائف السائلة باستخدام أساليب الطباعة المنخفضة المدة، والواعدة بصنع الخيوط الفوقية، والعقبات الرئيسية هي عدم الاستقرار - السائل المحتوي على درجة مئوية من حيث المقياس،

وتشمل المنافسين الآخرين من الجيل الثالث الفولطية العضوية، وخلايا النبات الكمي، والأجهزة المشعرة بالصبغة، وكلهم يقدمون مزايا فريدة - يمكن طبعها على مضارب فرعية مرنة، ويمكن أن تُستغل النقاط الكمية جيلاً متعدداً من المبيدات الحشرية، ولكن هذه النقاط لا تزال بعيدة عن الكفاءة والقدرة على التأثر بالشبكة، أما الآن، فلا يزال التركيز على إضفاء الطابع التجاري على المشابك المك المك المك المك.

العوامل التي تؤثر على الأداء الحقيقي العالمي

ولا يمكن أن تُظهر كفاءة الكشوفة وحدها القصة بأكملها، إذ أن معامل درجة حرارة الألواح، الذي يتراوح عادة بين 0.3 في المائة و0.5 في المائة لكل درجة مئوية فوق 25 درجة مئوية، يعني أن انخفاض الناتج على سطح الأرض الساخن، ويقرر الأداء المنخفض مدى تنبؤ الطاقة التي تنتجها الوحدة في ظل سماء مغيّبة أو في الفجر والدونة، وأن اختلافات الاستجابة الحشرية تعني أن بعض التكنولوجيات تستخرج أكثر من ضوء الارتفاع.

خفض التكاليف التشغيلية

ولم يحدد أي اتجاه ارتفاع الطاقة الشمسية بوضوح أكبر من مسار تكاليفها، ففي عام 1976، كانت وحدات السيليكون البلورية تباع لحوالي 76 دولاراً لكل واط، وبحلول عام 2023، كان السعر المرجعي العالمي لوحدات الإنتاج المزودة بمقياس للجرعات () أقل من 0.25 دولار لكل واط ()، وفقاً لعملية النمو الخفيف في الصين

وقد ظل قانون سوانسون، وهو ملاحظة أن أسعار وحدات الفولط المزودة بمقياس تقريبي 20 في المائة لكل مضاعفة من الحجم التراكمي للشحن، ثابتا بشكل ملحوظ لمدة أربعة عقود، وفي حين أن ارتفاع أسعار المواد الخام والاختناقات اللوجستية قد عكس اتجاه عام 2021-2022، فإن التوسع في القدرة التصنيعية قد أدى منذ ذلك الحين إلى ارتفاع الأسعار إلى مستويات منخفضة جديدة.() وقد تُقدِّر الوكالة الدولية للطاقة الفوائد الصنع [000 1000 1000] [المنافسة على الصعيد العالمي]

دور الطاقة الشمسية في مكسيكي الطاقة المتجددة

ويزود الآن أكثر من 5 في المائة من توليد الكهرباء على الصعيد العالمي، من أقل من 0.1 في المائة قبل عقدين، وقدرة على التصعيد من لوحة واحدة تُستخدم فيها مضخة مياه إلى محطات صحراء تعمل على نطاق واسع، مما يجعلها مرنة بشكل فريد، ففي كثير من المناطق المشمسة، أصبحت الطاقة الشمسية غير المدعومة المصدر الأرخص للكهرباء الجديدة في التاريخ، حيث تُمكن النظم اللامركزية على أسطح السفن، وكمياتها، والحدائق، وثبات الطاقة الكهربائية المجتمعية.

ومع ذلك، فإن تداخل الطاقة الشمسية لا يزال يشكل تحدياً، إذ أن منحنىات توليد الدون إلى الدوسك لا تضاهي دائماً الطلب على ذروة العمل في المساء، وهو خطأ يغذي الاستثمار في الليثيوم وبطاريات التدفق، وضخ الهيدروجين، ويمكن أن يساعد على زيادة بناء القدرة الشمسية والتقليص، ولكن الربط بين النقل والمرونة من جانب الطلب، هما نفس القدر من الأهمية لإنتاج الهيدروجين الأخضر، باستخدام فائض الكهرباء الشمسية لتشغيل ممرات الكهربائية الكهرومغناطيسية، مما يتيح مسارات الكهربائية،

النشر العالمي والعلامات الأرضية

وهناك عدة مشاريع توضح كيف تخرجت الطاقة الشمسية من تكنولوجيا البوتوك إلى البنية التحتية الرئيسية، حيث تغطي مساحة 2.2 غوات بوهالا سولار في الهند أكثر من 56 كيلومترا مربعا من الصحراء، بينما تم تمويل مجمع بنبان في مصر، الذي يبلغ 1.65 غات، من قِبل اتحاد للمقرضين الدوليين، وربط آلاف الأسر المعيشية بالشبكة، بينما تقلل المزارع الدوارة الضوئية من مصانع الإجهاد في الصين وكوريا الجنوبية، وتستفيد من ذلك.

الاندماج في النقل والمبنى

وقد بدأ سولار في تشغيل المركبات مباشرة، حيث أن سيارة الشاحنات تعمل بالبطولة الخفيفة وأبتيرا تقوم بتطوير مركبات الركاب مع خلايا شمسية متكاملة يمكن أن تضيف عشرات الكيلومترات من الطول اليومي من ضوء الشمس، وقد تقطع السقف الشمسية على الحافلات الكهربائية وشاحنات التسليم الاحتياجات إلى التعبئة الشبكية، وفي البيئة المبنية، فإن الخلايا الضوئية المدمجة للزجاج تُعدّلُ التقليديّة، والمصابيح، وتحوّة، وتحوّل النوافذ، وتحوّة، وتحوّل في نهاية المطاف،

التوقعات المستقبلية: تانديمز، المكاسب الثنائية الوجوه، والاقتصاد العلماني

ومن المرجح أن تهيمن على الموجة التالية من التبني التجاري توارث البيروفسكي - السيليكون، ويستثمر المصانع في خطوط تجريبية لتطهير طبقات البروفسكيت إلى خلايا من السيلكون دون التضحية بالاستقرار الطويل الأجل، وتهدف استراتيجيات الكبسولة باستخدام أفلام الحاجز الخزفي والمركب إلى وقف الرطوبة لعقود، وفي الوقت نفسه، تصبح التكنولوجيا الثنائية الافتراضية في حالة تخلف.

وقد تظل خلايا الزلازل المتعددة التطبيقات الأرضية جاهزة ما لم تعود مركبات التركز الضوئية إلى صالحها، ولكن بالنسبة للفضاء، لا غنى عنها، أما بعثة أوروبا كليبر التابعة للرابطة، التي أطلقت في عام 2024، فتعتمد على مجموعات كبيرة من خلايا الزلازل الثلاثية التي تعمل في ضوء مدار جوبيتر، ومن المتوقع أن تستمر المكاسب التجارية لنقل التكنولوجيا من البرامج الفضائية.

فالحدود الأقل وضوحاً ولكنها هامة هي إدارة نهاية العمر، إذ أن الموجة الأولى من المنشآت الكبيرة التي تصل الآن إلى التقاعد، وعمليات إعادة التدوير التي تستعيد السيليكون العالي النقاء، والفضة، والنحاس، والألومنيوم آخذة في الازدياد، ويستلزم توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الطاقة الكهربائية المتوسطة الحجم استرداد 85 في المائة من الكتلة النمطيّة، مما يؤدي إلى الابتكار في أساليب إزالة الحرارة والكيميائية، وسيؤدي إلى خفض الطلب على المواد الخام وزيادة تقليص البصمة البيئية.

Solar’s Place in a Decarbonized Grid

ولن تحل أي تكنولوجيا واحدة عملية الانتقال من الطاقة، ولكن مسار الطاقة الشمسية يشير إلى أنها ستوفر حصة مهيمنة من الكهرباء في المستقبل، وعندما تقترن بالرياح، وتخزين الطاقة، والهياكل الأساسية القوية للشبكات، فإنها توفر القدرة على مواجهة تقلب أسعار الوقود والاضطرابات الجيوسياسية، إذ أن المجتمعات التي تجمع بين أسطح الطاقة الشمسية والزجاجات الصغيرة يمكن أن تجتاز أحداث الطقس القصوى، وتولد خدمات حيوية عندما تضعف الهياكل الأساسية المركزية، ومع تزايد تركيز الأهداف المناخية وتركيز أسعار الكربون، فإن الميز الميز الميز الميز الميزة الاقتصادية للخليد.

إن الرحلة من خلية بيل لابس التي تبلغ ٦ في المائة إلى الوحدات التجارية التي تقارب ٢٧ في المائة - و ٣٠ في المائة + ثديي الغد - تمثل جهدا علميا مستداما، وتعلما صناعيا، ودعما للسياسات، وكل تحسن، سواء في مختبر أو في أرض مصنع، يؤدي إلى خفض التكاليف وتوسيع نطاق الوصول، ويرجح أن العقد القادم سيشهد الطاقة الشمسية التي لا تستوعب مجالات الفائدة والأسطح فحسب، بل في وسائل الإغاثة المؤقتة.