تحليل العوامل المؤثرة على كفاءة التحويل لخلايا السيليكون البلورية الشمسية

تتأثر كفاءة التحويل في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري، باعتبارها أحد أكثر أنواع الخلايا الشمسية استخدامًا، بعوامل متعددة. تشير كفاءة التحويل للخلايا الشمسية إلى نسبة الطاقة الشمسية التي يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية. في التطبيقات العملية، يواجه تحسين هذه الكفاءة العديد من القيود التكنولوجية. ستحلل هذه المقالة العوامل التي تؤثر على كفاءة تحويل الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية من الفقد البصري والفقد الكهربائي وطرق تحسين كفاءتها.

1. العوامل المؤثرة في كفاءة التحويل لخلايا السيليكون البلورية الشمسية

تتأثر كفاءة التحويل للخلايا الشمسية بشكل أساسي بامتصاص الضوء ونقل الناقل وتجميع الناقل. بالنسبة لخلايا السيليكون الشمسية أحادية البلورة، تبلغ كفاءة التحويل القصوى النظرية 28%. ومع ذلك، فإن كفاءة التحويل الفعلية محدودة بعوامل مختلفة، والتي يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى فقدان بصري وفقدان كهربائي.

1.1 الفقد البصري

يشمل الفقد البصري عدة أنواع من الفقد:

• فقدان الانعكاس السطحي: عندما تصطدم أشعة الشمس بسطح الخلية الشمسية، ينعكس جزء من الضوء إلى الخلف، ولا تستطيع الخلية امتصاصه. وهذا عامل رئيسي يؤثر على كفاءة الخلية الشمسية. عادةً ما يكون معدل انعكاس الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية 30%-35%. وللتخفيف من هذا الأمر، يتم تطبيق الطلاءات المضادة للانعكاس (مثل نيتريد السيليكون أو أكسيد السيليكون) لتقليل معدل الانعكاس إلى 5%-10%.
• فقدان الظل من خطوط شبكة التلامس: تحجب التلامسات المعدنية (خطوط الشبكة) الموجودة على سطح الخلية بعض الضوء، مما يقلل من كمية الضوء التي تضرب سطح الخلية مباشرة. يجب أن يوازن تصميم خطوط الشبكة بين فقدان الظل وقدرة التجميع الحالية وتقليل حجب الضوء إلى الحد الأدنى.
• فقدان عدم الامتصاص في الأطوال الموجية الطويلة: الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية لديها فجوة نطاق كبيرة، مما يعني أنها لا تستطيع امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء بفعالية في الطيف الموجي الأطول. وتساهم هذه الطاقة الضوئية غير الممتصة في فقدان الكفاءة.

1.2 الفقد الكهربائي

ينتج الفقد الكهربائي عن عدة عوامل:

• إعادة تركيب الناقلات الضوئية المولدة للضوء: بعد اصطدام الضوء بسطح الخلية الشمسية، يجب فصل الإلكترونات والثقوب المتولدة ونقلها إلى الأقطاب بشكل فعال. وإذا أعيد تجميعها قبل وصولها إلى الأقطاب الكهربائية، تُفقد الطاقة. تحدث إعادة التركيب عادةً عند العيوب السطحية أو العيوب السائبة في المادة، خاصةً في الحالات التي يكون فيها تركيز الناقلات مرتفعًا. ويعد الحد من إعادة التركيب أمرًا بالغ الأهمية لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.
• مقاومة التلامس: كما يمكن أن تؤثر مقاومة التلامس بين أشباه الموصلات والأقطاب المعدنية، وكذلك جودة تلامس الأقطاب الكهربائية، على كفاءة الخلية. فمقاومة التلامس العالية تزيد من المقاومة الداخلية، مما يعيق تدفق التيار ويقلل من كفاءة خرج الخلية.
• إعادة تركيب السطح الخلفي: تؤثر إعادة التركيب على السطح الخلفي بشكل كبير على كفاءة الخلية الشمسية، خاصة بالنسبة للخلايا الرقيقة. إذا تجاوز طول انتشار الناقلات سمك رقاقة السيليكون، تصبح إعادة التركيب على السطح الخلفي أكثر وضوحًا، مما يؤثر سلبًا على أداء الخلية الشمسية.

2. طرق تحسين كفاءة التحويل لخلايا السيليكون البلورية الشمسية

لتحسين كفاءة تحويل الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية، تم اقتراح استراتيجيات تحسين مختلفة. وتهدف هذه الاستراتيجيات إلى تقليل الفقد البصري والكهربائي، وتعزيز امتصاص الضوء، وتحسين كفاءة تجميع الناقل.

2.1 هيكل احتجاز الضوء

ولزيادة امتصاص الضوء بشكل فعال، غالبًا ما تستخدم الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية تقنية الحفر الكيميائي للنقش الكيميائي. يمكن للسطح المحفور أن يقلل بشكل كبير من انعكاس الضوء ويعزز امتصاص الضوء. وفي الوقت الحالي، أصبحت تقنية الحفر الأيوني التفاعلي (RIE) طريقة تركيب شائعة الاستخدام. تخلق هذه التقنية سطحًا محكمًا موحدًا يحسن من تقليل معدل الانعكاس، مما يحسن من انعكاس الضوء وامتصاصه.

2.2 طلاء مضاد للانعكاس

وتتمثل وظيفة الطلاء المضاد للانعكاس في تقليل فقدان الانعكاس عن طريق خلق تداخل بين الضوء الساقط وسطح الخلية. تشمل المواد الشائعة المضادة للانعكاس TiO2 و SiO2 و SnO2 وغيرها. عندما يتم تطبيق طلاء مضاد للانعكاس على السطح المحكم للخلية، يمكن تقليل معدل الانعكاس إلى حوالي 2%.

2.3 طبقة التخميل

يمكن لطبقات التخميل أن تقلل بشكل فعال من إعادة تركيب الناقلات المولدة ضوئيًا في مناطق معينة. وتشمل تقنيات التخميل الشائعة التخميل بالأكسدة الحرارية والتخميل بالهيدروجين الذري. وتشكل هذه الطرق طبقة واقية على سطح الخلية، مما يساعد على منع إعادة تركيب الناقلات. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام تقنيات الانتشار السطحي (مثل انتشار الفوسفور أو الألومنيوم) للتخميل، مما يحسن أداء الخلية الشمسية بشكل كبير.

2.4 تعزيز الحقل الخلفي

في الخلايا الشمسية من النوع P، يمكن أن تؤدي إضافة طبقة P+ المخدرة بشدة على السطح الخلفي إلى تكوين بنية P+/P، مما يخلق مجالاً كهربائيًا مدمجًا في الواجهة P+/P. ويساعد هذا الحقل الكهربائي المدمج في فصل الناقلات المولدة ضوئيًا، ما يؤدي إلى تراكم الناقلات في جانب P+ ويولد جهدًا ضوئيًا. يزيد هذا الجهد الضوئي من جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للخلية الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي وجود المجال الكهربائي الخلفي إلى تسريع انتشار الناقلات المولدة ضوئيًا، مما يزيد من طول انتشارها بشكل فعال ويحسن تيار الدائرة القصيرة (Jsc).

2.5 تحسين مواد الركيزة

إن اختيار مواد السيليكون عالية الجودة أمر بالغ الأهمية لتحسين أداء الخلية. يعتبر السيليكون من النوع N مفيدًا بشكل خاص لأنه يتمتع بعمر أطول للناقل وتفاعل أقل بين البورون والأكسجين وتوصيل كهربائي أفضل وتيار تشبع أقل. يمكن أن يؤدي استخدام السيليكون من النوع N كمادة ركيزة إلى تعزيز كفاءة تحويل الخلية الشمسية بشكل فعال.

3. خاتمة

تتأثر كفاءة التحويل للخلايا الشمسية السليكونية البلورية بعوامل متعددة، في المقام الأول الخسائر البصرية والكهربائية. ولتحسين كفاءة الخلايا الشمسية، من الضروري وضع استراتيجيات تحسين شاملة، مثل استخدام هياكل محاصرة الضوء، والطلاءات المضادة للانعكاس، وطبقات التخميل، وتحسين تصميم المجال الخلفي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام مواد السيليكون عالية الجودة للركيزة إلى تحسين الأداء الكلي للخلية الشمسية بشكل كبير. ومع التقدم المستمر في التكنولوجيا، من المتوقع أن تتحسن كفاءة الخلايا الشمسية السيليكونية البلورية بشكل أكبر في المستقبل.