مشكلة الألواح الشمسية

صناعة الطاقة الشمسية مواجهة الإمكاناتكعب أخيل: اعتماده على الفضة. باعتبارها معدنًا ثمينًا ومكلفًا، تلعب الفضة دورًا حاسمًا في جميع أنواع الألواح الشمسية تقريبًا. ومع تجاوز الإنتاج العالمي من الطاقة الشمسية مستوى تيراواط، فإن استدامة هذا النمو مهددة الآن بسبب ندرة الفضة وتكاليفها. يوجد بديل محتمل في الألواح النحاسية، مما يحطم الأرقام القياسية العالمية في الكفاءة ويظهر إمكانات واعدة. ومع ذلك، يتردد المصنعون في استبدال الفضة بالنحاس. هل يمكن لصناعة الطاقة الشمسية ovالتغلب على التحديالمحركات التي تشكلها المقاومات النحاسية وتزودنا بألواح شمسية أكثر كفاءة وبأسعار معقولة؟ دعونا نستكشف هذه الرحلة المعقدة والمعقدة.

طباعة الشاشة

منذ سبعينيات القرن الماضي، أصبحت طباعة الشاشة هي الطريقة التقليدية لتصنيع خلايا السيليكون الشمسية، حيث تشكل حوالي 85% إلى 90% من الإنتاج. تشبه هذه الطريقة طباعة شعار على قميص، وتتضمن هذه الطريقة وضع شاشة على ظهر رقاقة السيليكون. تضع الآلة طبقة من معجون الفضة على الشاشة، ثم تقوم الكاشطة بضغطها من خلالها. تخضع الرقاقة للتجفيف، والحرق، والتقليب، وتكرار العملية على الجانب الآخر. وعلى الرغم من فعاليته من حيث التكلفة، فإن التحدي يكمن في المواد المستخدمة. تشكل الفضة حوالي 10% من تكاليف التصنيع وتستخدم حوالي 15% من الفضة المستخرجة في العالم. ومع تقدم الطاقة الشمسية، ارتفع الطلب العالمي على الفضة. تتنافس العديد من التقنيات المتطورة على الفضة، بما في ذلك البنية التحتية لشبكة الجيل الخامس (5G)، والمركبات الكهربائية، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية التي تشبع السوق. أثار العلماء مخاوفهم في وقت مبكر من عام 2013، مشيرين إلى أن النمو السريع في الطلب على كل من الطاقة الشمسية والفضة من شأنه أن يؤدي إلى تصاعد كبير في تكلفة الطاقة الشمسية.

على الرغم من أن الطاقة الشمسية أصبحت أرخص,أسعار الفضة ترتفع بسرعة. كشفت جمعية الفضة أن الطلب العالمي على الفضة في عام 2021 وصل إلى مستوى قياسي منذ عام 2015، مع ارتفاع الأسعار بنسبة 22٪ على أساس سنوي، لتصل إلى أعلى مستوى لها في تسع سنوات عند 25.14 دولارًا للأونصة. في المقابل، بلغت أسعار النحاس في عام 2021 حوالي 0.29 دولار للأونصة. في حين أن البعض قد يفكر في إعادة تدوير الفضة، تشير دراسة أجريت في ديسمبر 2022 إلى أن ذلك ليس ممكنًا بعد بسبب عدم كفاية الفضة للتقاعد. إن طول عمر الألواح الشمسية له جوانب إيجابية وسلبية. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب عملية إعادة التدوير عمالة كثيفة، وتتطلب تفكيك اللوحة ومعالجة كيميائية لإزالة الفضة. في حين أن إعادة التدوير مفيدة على المدى الطويل، إلا أنها قد لا تكون ممكنة في العقود القادمة.

الآن، دعونا نفكر في النحاس، وهو بديل ذو موصلية مماثلة ولكن تكاليفه أقل بكثير. يبرز مساران تحويل محوريان: 1) استبدال معجون الفضة بمعجون النحاس في طباعة الشاشة، و2) تبني تصميم الخلايا الشمسية الملامسة المدمجة بدلاً من طباعة الشاشة. إن التحول إلى النحاس يجلب فوائد مثل تحقيق كفاءة الخلايا الشمسية ذات الرقم القياسي العالمي واستخدام مواد وفيرة وبأسعار معقولة. وفي السنوات الأخيرة، حققت العديد من الشركات، المستوحاة من الرائدين الأستراليين ستيوارت وينهام ومارتن جرين، خطوات ملحوظة. كانت براءة اختراعهم لعام 1985 للخلايا الشمسية الملامسة المدفونة بمثابة تحسن كبير. لفهم هذه التحسينات، دعونا نحدد بعض الهياكل الرئيسية للألواح الشمسية. يعد النمط الشبيه بالشبكة الموجود في مقدمة اللوحة هو نقطة الاتصال العلوية، وعادةً ما يتميز بالفضة. تقوم هذه الأسلاك المعدنية بتجميع الكهرباء التي تولدها البطارية. تنقل الخطوط الأفقية الرقيقة، المعروفة باسم "الأصابع"، التيار إلى خطوط رأسية أكثر سمكًا تسمى "أشرطة التوصيل". من الناحية المثالية، يتم ضغط الأصابع الكهروضوئية معًا بإحكام وتضييقها قدر الإمكان.

ومن المؤسف أن إنتاج الأصابع الرفيعة ينطوي على تكاليف باهظة. ونتيجة لذلك، فإن الأصابع الأوسع في طباعة الشاشة لها عيب كبير: انخفاض بنسبة 10٪ إلى 15٪ في خرج الطاقة بسبب فقدان الإخفاء. توفر جهات الاتصال المدمجة حلاً أنيقًا بأصابع أعمق من عرضها. يتم ملء الأخاديد المقطوعة بالليزر على السيليكون بالنحاس، مما يؤدي إلى وجود المزيد من المعدن في الأصابع وتقليل المعدن الذي يعيق السطح. يقلل هذا الابتكار من فقدان التظليل إلى 2% إلى 3%. وفي نهاية المطاف، تتجاوز كفاءة الألواح الشمسية الملامسة المدمجة كفاءة نظيراتها المطبوعة على الشاشة بنسبة 25%.

بحلول عام 1991، حققت الخلايا التجريبية التي ابتكرها وينهام وغرين ذات الاتصالات المدمجة كفاءة قياسية بلغت 24.7%، ووصلت كفاءة الخلايا التجارية إلى 20%. ومع ذلك، فإن اعتمادها على نطاق واسع واجه تحديات. وهنا يأتي "ملك الشمس" شي تشن رونغ، الذي أسس شركة Suntech Power في عام 2001. وعلى الرغم من تحقيق كفاءة قياسية عالمية بلغت 20.3% للخلايا المعدنية النحاسية في عام 2012، واجهت شركة Suntech الإفلاس في مارس/آذار من العام التالي. ولم يكن هذا المصير فريدا؛ كما واجهت شركة بريتيش بتروليوم سولار، التي تستخدم خلايا اتصال مدفونة بالليزر في مكونات كوكب زحل، الإفلاس في عام 2011. ويظل السؤال قائما: إذا كان النحاس واعدا إلى هذا الحد، فلماذا أفلست هذه الشركات؟

أحد العوامل المهمة التي تساهم في هذا التحدي هو التكلفة. تعتبر الألواح الشمسية الفضية أكثر فعالية من حيث التكلفة في التصنيع. 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 عامًا أو أكثر، وتتحمل الظروف المناخية المختلفة. ومع ذلك، فإن النحاس عرضة للتقشير، مما قد يؤثر على موثوقية الخلايا المطلية بالنحاس. يفسر هذا التخوف تردد الشركات المصنعة في التحول. الأداء هو مصدر قلق بالغ آخر. على الرغم من أن الأصابع الأضيق في الخلايا النحاسية تعزز الكفاءة عن طريق تقليل التظليل، إلا أن خطر انتشار النحاس في السيليكون الأساسي يشكل تهديدًا. يمكن أن يؤدي انتشار النحاس إلى تحويل السيليكون شبه الموصل إلى موصل، مما يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة داخل اللوحة. وهذا يقدم 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 الكيفية التي يمكن بها 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 الاعتماد المحدود للنحاس والصراعات التي تواجهها شركتي BP وSuntech. وفي حين نجحت شركة بريتيش بتروليوم سولار في تسويق ألواح ساتورن الخاصة بها تجارياً، فإن قرار وقف الإنتاج كان نابعاً من المنافسة مع الفضة المطبوعة على الشاشة بتكلفة أقل. مع تقدم التكنولوجيا، أصبحت الفضة المطبوعة بالشاشة الحريرية أكثر بأسعار معقولة. على الرغم من دراسة أجريت عام 2014 تشير إلى متانة تصميم الاتصال المضمن لشركة بريتيش بتروليوم، إلا أن العوامل الاقتصادية أثرت على خيارات الإنتاج.

والسؤال الذي يطرح نفسه: هل يستطيع النحاس التغلب على هذه التحديات، خاصة في ظل المخاطر المتزايدة الحالية؟ يعرب شي Zhenrong عن تفاؤله. بعد عامين من إفلاس شركة Suntech، قاد الاستثمار في شركة SunDrive الناشئة حديثًا. يقع المقر الرئيسي للشركة في سيدني، وتركز الشركة على الألواح النحاسية. قرر المشرف لينون تسريع المشروع، وتخلى عن دورة الدكتوراه، وخصص وقته لتجارب المرآب. وبعد محاولات عديدة، ابتكر طريقة لربط النحاس بالخلايا الشمسية. شارك في تأسيس شركة SunDrive مع زملائه في الغرفة، وتقدموا بطلب للحصول على براءة اختراع في عام 2015. وبحلول سبتمبر 2022، حققت الشركة كفاءة لوحة بنسبة 26.41%، محطمة الرقم القياسي العالمي لخلايا السيليكون الشمسية التجارية.

إذا حققت الشركة إنتاجًا واسع النطاق، فإن احتمال استخدام خردة الفضة يصبح قابلاً للتطبيق، مما قد يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في أسعار المستهلك. ويظل من غير المؤكد ما إذا كان التاريخ يعيد نفسه، مما يترك النحاس على الهامش. قد لا يكون الجواب بعيدا، حيث تخطط الشركة لإنشاء خط إنتاج تجريبي في عام 2023. وتشير التحديات التاريخية للألواح النحاسية، التي تعالج قضايا مثل الأكسدة والانتشار، إلى أنها قد لا تكون حلا عالميا. إن التهديد الذي يلوح في الأفق بارتفاع أسعار الفضة قد يجبر الشركات المصنعة على اتخاذ إجراءات حاسمة. ما هي أفكارك؟ لا تزال تفكر؟ هل النحاس هو الحل الواضح؟ ما هي البدائل الشمسية المستدامة المتاحة؟