مشكلة الألواح الشمسية

صناعة الطاقة الشمسية مواجهة إمكانات كعب أخيل: اعتماده على الفضة. كمعدن ثمين ومكلف ، تلعب الفضة دورا مهما في جميع أنواع الألواح الشمسية تقريبا. مع تجاوز الإنتاج العالمي للطاقة الشمسية مستوى تيراواط ، أصبحت استدامة هذا النمو مهددة الآن بسبب ندرة الفضة ونفقات الفضة. يوجد بديل محتمل في الألواح النحاسية ، مما يكسر سجلات الكفاءة العالمية ويظهر إمكانات واعدة. ومع ذلك ، يتردد المصنعون في استبدال الفضة بالنحاس. يمكن لصناعة الطاقة الشمسية أوفإرموم تشالإنجيس التي تشكلها المقاومات النحاس وتوفر لنا الألواح الشمسية أكثر بأسعار معقولة وفعالة? دعونا نستكشف هذه الرحلة المعقدة والمعقدة.

طباعة الشاشة

منذ عام 1970 ، كانت طباعة الشاشة هي الطريقة التقليدية لتصنيع خلايا السيليكون الشمسية ، والتي تشكل حوالي 85 ٪ إلى 90 ٪ من الإنتاج. على غرار طباعة شعار على قميص ، تتضمن هذه الطريقة وضع شاشة على ظهر رقاقة السيليكون. تقوم الماكينة بإيداع طبقة من عجينة الفضة على الشاشة ، وتضغط عليها مكشطة. تخضع الرقاقة للتجفيف وإطلاق النار والتقليب ، وتكرار العملية على الجانب الآخر. على الرغم من فعالية التكلفة ، إلا أن التحدي يكمن في المواد المستخدمة. تشكل الفضة حوالي 10 ٪ من تكاليف التصنيع وتستخدم حوالي 15 ٪ من الفضة الملغومة في العالم. مع تقدم الطاقة الشمسية ، ارتفع الطلب العالمي على الفضة. تتنافس العديد من التقنيات المتطورة على الفضة ، بما في ذلك البنية التحتية 5 جي والسيارات الكهربائية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية التي تشبع السوق. أثار العلماء مخاوف في وقت مبكر من عام 2013 ، مشيرين إلى أن النمو السريع في الطلب على كل من الطاقة الشمسية والفضة يستعد لتصعيد تكلفة الطاقة الشمسية بشكل كبير.

على الرغم من أن الطاقة الشمسية أصبحت أرخص,أسعار الفضة ترتفع بسرعة. كشفت جمعية الفضة أن الطلب العالمي على الفضة في عام 2021 سجل رقما قياسيا منذ عام 2015 ، حيث ارتفعت الأسعار بنسبة 22 ٪ على أساس سنوي ، لتصل إلى أعلى مستوى لها في تسع سنوات عند 25.14 دولارا للأونصة. في المقابل ، كانت أسعار النحاس في عام 2021 حوالي 0.29 دولار للأونصة. بينما قد يفكر البعض في إعادة تدوير الفضة ، تشير دراسة أجريت في ديسمبر 2022 إلى أنه ليس ممكنا بعد بسبب عدم كفاية الفضة للتقاعد. طول عمر الألواح الشمسية له جوانب إيجابية وسلبية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عملية إعادة التدوير كثيفة العمالة ، وتتطلب تفكيك الألواح والمعالجة الكيميائية لإزالة الفضة. في حين أن إعادة التدوير مفيدة على المدى الطويل ، إلا أنها قد لا تكون مجدية في العقود القادمة.

الآن ، دعونا نفكر في النحاس-بديل ذو موصلية قابلة للمقارنة ولكن تكاليف أقل بكثير. يبرز مسارين محوريين للتحويل: 1) استبدال معجون الفضة بمعجون النحاس في طباعة الشاشة ، و 2) احتضان تصميم الخلايا الشمسية الملامسة المضمنة على طباعة الشاشة. التحول إلى النحاس يجلب فوائد مثل تحقيق الرقم القياسي العالمي كفاءة الخلايا الشمسية واستخدام مواد أكثر بأسعار معقولة وفيرة. في السنوات الأخيرة ، خطت العديد من الشركات ، المستوحاة من الرواد الأستراليين ستيوارت وينهام ومارتن جرين ، خطوات ملحوظة. كانت براءة اختراعهم لعام 1985 للخلايا الشمسية الملامسة المدفونة بمثابة تحسن كبير. لفهم هذه التحسينات ، دعنا نحدد بعض هياكل الألواح الشمسية الرئيسية. النمط الذي يشبه الشبكة على مقدمة اللوحة هو أعلى نقطة اتصال ، وعادة ما يتميز بالفضة. تجمع هذه الأسلاك المعدنية الكهرباء المولدة من البطارية. خطوط أفقية أرق ، والمعروفة باسم 'الأصابع ،' نقل التيار إلى خطوط عمودية سمكا تسمى ' بوسبار.'من الناحية المثالية ، يتم ضغط الأصابع الكهروضوئية بإحكام معا وضيقة قدر الإمكان.

للأسف ، ينطوي إنتاج الأصابع الرفيعة على تكاليف كبيرة. نتيجة لذلك ، فإن الأصابع الأوسع في طباعة الشاشة لها عيب كبير: انخفاض بنسبة 10 ٪ إلى 15 ٪ في خرج الطاقة بسبب فقدان الإخفاء. توفر جهات الاتصال المضمنة حلا أنيقا بأصابع أعمق من عرضها. تمتلئ الأخاديد المقطوعة بالليزر على السيليكون بالنحاس ، مما ينتج عنه المزيد من المعدن في الأصابع ومعدن أقل يعيق السطح. يقلل هذا الابتكار من فقدان التظليل إلى 2 ٪ إلى 3٪. في النهاية ، تفوق كفاءة الألواح الشمسية التلامسية المدمجة كفاءة نظيراتها المطبوعة على الشاشة بنسبة 25٪.

بحلول عام 1991 ، حققت خلايا وينهام وغرين التجريبية ذات الاتصالات المدمجة كفاءة قياسية بلغت 24.7 ٪ ، وبلغت كفاءة الخلايا التجارية 20٪. ومع ذلك ، واجه اعتمادها على نطاق واسع تحديات. أدخل" الشمس الملك " شي تشن رونغ ، الذي أسس شركته السلطة في عام 2001. على الرغم من تحقيق كفاءة قياسية عالمية بنسبة 20.3 ٪ للخلايا المعدنية بالنحاس في عام 2012 ، واجهت شركته الإفلاس في مارس من العام التالي. لم يكن هذا المصير فريدا ؛ بي بي سولار ، باستخدام خلايا الاتصال المدفونة بالليزر في مكونات زحل ، واجهت أيضا الإفلاس في عام 2011. يبقى السؤال: إذا كان النحاس واعدا جدا, لماذا أفلست هذه الشركات?

ومن العوامل الهامة التي تسهم في هذا التحدي التكلفة. الألواح الشمسية الفضية هي أكثر فعالية من حيث التكلفة لتصنيع. في حين أن النحاس مادة خام أرخص من الفضة ، إلا أن ضعف التصاقه بالألواح الشمسية كان مشكلة مستمرة للعلماء والممارسين. تم تصميم الألواح الشمسية لتدوم لمدة 25 عاما أو أكثر ، وتحمل ظروفا مناخية مختلفة. ومع ذلك ، فإن النحاس عرضة للتقشر ، مما قد يضر بموثوقية الخلايا المطلية بالنحاس. يفسر هذا التخوف تردد الشركات المصنعة في الانتقال. الأداء هو مصدر قلق بالغ آخر. على الرغم من أن الأصابع الضيقة في الخلايا النحاسية تعزز الكفاءة عن طريق تقليل التظليل ، فإن خطر انتشار النحاس في السيليكون الأساسي يشكل تهديدا. يمكن لنشر النحاس تحويل السيليكون شبه الموصل إلى موصل ، مما يؤدي إلى دوائر قصيرة داخل اللوحة. يقدم هذا مخاطر إضافية لا ترتبط عادة بمنتج راسخ. إن إنشاء حواجز انتشار فعالة أمر معقد وقد يؤدي إلى تكاليف إنتاج إضافية. علاوة على ذلك ، توجد مخاوف بشأن كيف يمكن لأكسدة النحاس أن تحد من الموصلية.

تتضمن معالجة هذه التحديات في الهندسة دمج خطوات إضافية وتخصيص المزيد من الموارد في عملية التصنيع. يقف هذا التعقيد كعقبة أساسية ، مما يساهم في اعتماد النحاس المحدود والصراعات التي تواجهها شركة بريتيش بتروليوم وسنتيش. في حين نجحت شركة بريتيش بتروليوم سولار في تسويق ألواح زحل الخاصة بها ، فإن قرار وقف الإنتاج نابع من المنافسة مع الفضة المطبوعة على الشاشة منخفضة التكلفة. مع تقدم التكنولوجيا ، أصبحت الفضة المطبوعة على الشاشة ميسورة التكلفة. على الرغم من دراسة أجريت عام 2014 تشير إلى متانة تصميم الاتصال المضمن لشركة بريتيش بتروليوم ، إلا أن العوامل الاقتصادية أثرت على خيارات الإنتاج.

السؤال الذي يطرح نفسه: هل يستطيع النحاس التغلب على هذه التحديات, خاصة بالنظر إلى المخاطر المتزايدة الحالية? شي تشن رونغ يعرب عن تفاؤله. بعد عامين من إفلاس شركته ، قاد استثمارا في شركة سوندريف الناشئة المنشأة حديثا. مقرها الرئيسي في سيدني ، وتركز الشركة على لوحات النحاس. المشرف لينون ، مصممة على تسريع المشروع ، لذهاب دورة الدكتوراه ، وتكريس وقته لتجارب المرآب. بعد محاولات عديدة ، ابتكر طريقة لربط النحاس بالخلايا الشمسية. شارك في تأسيس سوندريف مع زملائه في الغرفة ، وتقدموا بطلب للحصول على براءة اختراع في عام 2015. بحلول سبتمبر 2022 ، حققت الشركة كفاءة لوحة بنسبة 26.41 ٪ ، محطمة الرقم القياسي العالمي لخلايا السيليكون الشمسية التجارية.

إذا حققت الشركة إنتاجا واسع النطاق ، فإن احتمال استخدام الفضة الخردة يصبح قابلا للتطبيق ، مما قد يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في أسعار المستهلك. ما إذا كان التاريخ يعيد نفسه ، وإرسال النحاس إلى الهامش ، لا يزال غير مؤكد. قد لا تكون الإجابة بعيدة ، حيث تخطط الشركة لإنشاء خط إنتاج تجريبي في عام 2023. تشير التحديات التاريخية للألواح القائمة على النحاس ، والتي تعالج قضايا مثل الأكسدة والانتشار ، إلى أنها قد لا تكون حلا عالميا. التهديد الذي يلوح في الأفق بارتفاع أسعار الفضة يمكن أن يجبر الشركات المصنعة على اتخاذ إجراءات حاسمة. ما هي أفكارك? لا تزال تفكر? هل النحاس هو الحل الواضح? ما هي البدائل الشمسية المستدامة المتاحة?