كيف يتغير تصميم الخلية الشمسية عند استخدام مادة ذات فجوة طاقة مباشرة؟

 

1. طبقة امتصاص أرق

• المواد ذات فجوة الطاقة المباشرة مثل (GaAs، CdTe، أو البيروفسكايت) تمتص الضوء بكفاءة أعلى بكثير من المواد ذات الفجوة غير المباشرة مثل السيليكون.

• هذا يعني أن طبقة امتصاص بسمك عدة مئات من النانومتر فقط قد تكون كافية، مقارنةً بـ ~150–200 ميكرومتر في السيليكون.

• ✔️ أثر التصميم: إمكانية إنتاج خلايا رقيقة جداً، مرنة وخفيفة الوزن.

2. تقليل الحاجة إلى هياكل احتجاز الضوء

• خلايا السيليكون تحتاج إلى نقوش سطحية أو عواكس خلفية لزيادة طول المسار الضوئي وتحسين الامتصاص.

• المواد ذات الفجوة المباشرة لا تحتاج إلى هذه التعقيدات، إذ تمتص الضوء بكفاءة عالية حتى في الطبقات الرقيقة.

• ✔️ تصميم بصري أبسط وتقليل خطوات التصنيع.

3. استهلاك أقل للمواد وتخفيض في التكلفة المحتملة

• الطبقات الرقيقة = مواد أقل = إمكانية خفض التكاليف، خاصة إذا كانت طرق التصنيع قابلة للتوسع مثل المعالجة بالمحاليل في البيروفسكايت.

• ✔️ تحسين الجدوى الاقتصادية للمواد ذات الكفاءة العالية.

4. إمكانية تحقيق كفاءة أعلى

• المواد ذات الفجوة المباشرة تتميز بأن نسبة إعادة الاندماج الإشعاعي فيها عالية، ما يعني فقدان أقل للطاقة.

• هذا يسمح بتحقيق جهد دائرة مفتوحة (Voc) أعلى وأداء أفضل.

• ✔️ إمكانية الوصول إلى كفاءات عالية جداً، خصوصًا في الخلايا متعددة الوصلات.

5. إمكانية تصميم هياكل جديدة ومتقدمة

• بفضل الكفاءة العالية في الامتصاص، يمكن استخدام تصاميم مبتكرة مثل:

  • الخلايا المتراكبة (Tandem) مثل بيروفسكايت-على-سيليكون

  • الخلايا المرنة

  • الخلايا الشفافة للنوافذ الذكية

• ✔️ توسيع تطبيقات الطاقة الشمسية في مجالات عديدة.

مقارنة بين السيليكون و GaAs

الخلاصة

استخدام مادة ذات فجوة طاقة مباشرة في تصميم الخلايا الشمسية يؤدي إلى:

• خلايا أرق، أخف وزناً، وأكثر كفاءة

• تصميم بصري أبسط وأقل حاجة لمعالجات سطحية معقدة

• إمكانات واسعة للتطبيقات المرنة والمدمجة

لكن تجدر الإشارة إلى أن هناك تحديات مثل ارتفاع تكلفة المواد، الثبات على المدى الطويل، والسمّية في بعض المواد (مثل الكادميوم في CdTe) تحتاج إلى حلول عند الانتقال للتطبيق العملي.