تصنيف بطاريات الطاقة الشمسية - بطاريات الطاقة الشمسية من الجيل الثالث

تصنيف بطاريات الطاقة الشمسية - بطاريات الطاقة الشمسية من الجيل الثالث

1. بطاريات شمسية حساسة للصبغة

تُعتبر خلايا الطاقة الشمسية الصبغية (DSSCs) فئة من البطاريات التي تحاكي مبدأ التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء لتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء. تتكون خلايا DSSCs السائلة بشكل رئيسي من الأنود الضوئي، والإلكتروليت السائل، والكاثود الضوئي. يقوم الأنود الضوئي بشكل رئيسي بإعداد طبقة من فيلم شبه موصل مسامي على مادة الركيزة الموصلة ويعلق طبقة من صبغة حساسة للضوء؛ بينما يقوم الكاثود الضوئي بشكل رئيسي بإعداد طبقة من مادة تحفيزية تحتوي على البلاتين أو الكربون على مادة الركيزة الموصلة. في الأنود الضوئي، يكون مادة الإلكترود بشكل رئيسي TiO2. عندما يتم لصق طبقة من الصبغة الحساسة للضوء ذات خصائص امتصاص الضوء الجيدة على سطح TiO2، فإن الحالة الأرضية للصبغة تمتص الضوء وتصبح في حالة مثارة، ثم تقوم الصبغة المثارة بحقن الإلكترونات في نطاق التوصيل لـ TiO2. يتم إكمال فصل الحوامل، ويتم نقلها إلى الإلكترود المضاد عبر الدائرة الخارجية. يحصل 3- في محلول الإلكتروليت على الإلكترونات في الإلكترود المضاد ويتم اختزاله إلى I-، وتتحول الصبغة المؤكسدة بعد حقن الإلكترون إلى الحالة الأرضية بواسطة I-. يتم أكسدة I- نفسها إلى I3-، وبالتالي يتم إكمال الدورة الكاملة.
تتمتع خلايا الشمسية الصبغية (DSSCs) بمزايا التركيب البسيط وتنوع مصادر المواد، ولكن معظم خلايا DSSCs تستخدم إلكتروليتات سائلة، والتي تكون عرضة لتآكل الأقطاب، وتسرب الإلكتروليت، وضعف استقرار البطارية. استجابةً للمشاكل المذكورة أعلاه، حقق الباحثون بعض التقدم في تطوير صبغات عضوية نقية وخلايا DSSCs ذات الحالة الصلبة. بالنسبة لخلايا DSSCs، فإن السبب وراء صعوبة تحسين الكفاءة هو أن الصبغات الحساسة الموجودة لا يمكنها الاستفادة بشكل فعال من الفوتونات تحت الحمراء، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة امتصاص الضوء. لذلك، سيكون التركيز في الأبحاث المستقبلية على تطوير صبغات حساسة فعالة ومستقرة وغير مكلفة وغير قائمة على الروثينيوم تستجيب للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين قدرة نقل الإلكترونات داخل البطارية، وإعداد إلكتروليتات ذات حالة صلبة عالية الكفاءة ودائمة، والبحث عن أقطاب مضادة غير مكلفة غير قائمة على البلاتين، وتحسين العمر الافتراضي العام للبطارية لها أيضًا أهمية كبيرة في تعزيز خلايا DSSCs.

2. بطاريات الطاقة الشمسية بيروفسكايت

يعود ظهور خلايا الطاقة الشمسية الهجينة (PSCs) إلى تطوير خلايا الشمسية الصبغية (DSSCs)، والفرق هو أن خلايا الطاقة الشمسية الهجينة تستخدم مواد هجينة عضوية/غير عضوية من نوع البيروفيسكايت بدلاً من جزيئات الصبغ العضوي كمواد ماصة للضوء. تتكون خلايا الطاقة الشمسية الهجينة من طبقة كثيفة نانوية، وطبقة نشطة من البيروفيسكايت ABX3 (X=Cl-, Br-, I-)، وطبقة نقل الثقوب، والقطب المضاد. تحتوي طبقة امتصاص الضوء ABX3 على هيكل ثلاثي الأبعاد نموذجي. تمثل A أيون أمين عضوي (CH3NH3+) يشغل مركز جسم مكعب ثماني الأوجه؛ تمثل B كاتيون معدني يمكن أن يتناسق لتشكيل ثماني الأوجه، مثل Pb+، Nb+، Ti4+، Fe3+، إلخ؛ تمثل X أنيون يمكن أن يتناسق مع B لتشكيل ثماني الأوجه، وعادة ما يكون Cl-، Br-، I- وأيونات هالوجينية أخرى. تتصل ثماني الأوجه الهالوجينية في هذا النوع من مواد البيروفيسكايت بشكل متقاطع لتشكيل هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد مستقرة. تشمل طرق تحضير مواد البيروفيسكايت بشكل رئيسي طريقة المحلول، وطريقة التبخر المشترك، وطريقة المساعدة بالغاز، وطريقة التبادل الجزيئي.
منذ إدخال خلايا الطاقة الشمسية (PSCs)، زادت كفاءة التحويل الضوئي بمعدل شبه خطي، مما يظهر الإمكانات الكبيرة لمثل هذه البطاريات الشمسية. على الرغم من الكفاءة العالية لخلايا الطاقة الشمسية، فإن الاستقرار ضعيف للغاية. لهذا السبب، يسعى العلماء إلى مجموعة متنوعة من الطرق لحل مشكلة الاستقرار. يتم طلاء سطح جهاز خلايا الطاقة الشمسية بطبقة من البوليمر الحساس للضوء المفلور بواسطة بلمرة الجذور الناتجة عن الضوء في درجة حرارة الغرفة. تمنح هذه الطبقة من مادة الطلاء متعددة الوظائف الجزء الأمامي من جهاز خلايا الطاقة الشمسية خصائص التنظيف الذاتي والتألق، وتضمن أن الجزء الخلفي من جهاز خلايا الطاقة الشمسية يتمتع بخصائص فائقة الكارهية للماء، مما لا يسمح لسطح جهاز خلايا الطاقة الشمسية بأن يكون فائق الكارهية للماء. متأثراً ببخار الماء في الهواء. تحت ظروف الضوء المرئي، يعيد البوليمر الضوئي إصدار الضوء فوق البنفسجي، مما يجعل خلايا الطاقة الشمسية تصل كفاءتها إلى 19% تحت الإضاءة القياسية. تم إجراء اختبارات لمدة 6 أشهر تحت ظروف بيئة الهواء وتأثير الضوء الكيميائي، وأظهرت النتائج أن الخصائص الضوئية لخلايا الطاقة الشمسية تم الحفاظ عليها بشكل جيد في جميع الجوانب، مما يشير إلى أن أداء هذا النوع من البطاريات الشمسية يتحسن بشكل مستمر. لذلك، يجب أن يكون العمل المستقبلي هو توحيد معايير العمل لهذا النوع من البطاريات، مثل مواصفات الاستقرار، ومعايير اختبار الشيخوخة، وما إلى ذلك. مع تقدم التكنولوجيا، قد تتجاوز خلايا الطاقة الشمسية البطاريات الشمسية الرقيقة وتصبح رائدة في صناعة الطاقة الكهروضوئية.

3. بطاريات الطاقة الشمسية الكمية

تعتبر النقاط الكمومية مواد نانوية ذات أبعاد صفرية، مما يعني أن الأبعاد الثلاثة للنقاط الكمومية أصغر من الطول الموجي دي بروغلي للإثارات في المواد الضخمة. حركة الإلكترونات الداخلية فيها في جميع الاتجاهات مقيدة، أي أن تأثير الحبس الكمومي بارز بشكل خاص. مقارنةً بالمواد الضخمة التقليدية، تتمثل ميزة النقاط الكمومية في أنه من خلال تأثير النفق الرنيني، يمكنها تحسين معدل جمع الحوامل الناتجة عن الضوء في البطارية، مما يزيد من التيار؛ من خلال ضبط حجم وشكل النقاط الكمومية، يتم تحسين مستوى الطاقة للنقاط الكمومية وزيادة توافق طيف الشمس مما يزيد من معدل امتصاص الضوء. بعض النقاط الكمومية (مثل PbSe) يمكن أن تمتص فوتونًا عالي الطاقة لتوليد عدة أزواج من الإلكترونات والثقوب، أي تأثير متعدد الإثارة. يمكن أن تصل الكفاءة المتوقعة نظريًا لخلايا الطاقة الشمسية ذات الوصلة الواحدة (QDSCs) إلى 44%، متجاوزة بكثير حد شوكلي-كويزر لبطاريات السيليكون الشمسية.
منذ نشأتها، أظهرت النقاط الكمومية مزاياها الفريدة، مثل مجموعة واسعة من مصادر المواد، وفجوات نطاق قابلة للتعديل، وكفاءة عالية في تحويل الطاقة الضوئية، مما يشير إلى أن خلايا الشمسية النقاط الكمومية (QDSCs) لديها إمكانات كبيرة. ومع ذلك، نظرًا لأن هذا النوع من البطاريات ينطوي على مجال الميكرو، فإن عملية التصنيع والمتطلبات نسبياً عالية، ومبدأ نقل الإلكترونات الداخلي لا يزال في مرحلة البحث، مما يؤدي إلى كفاءتها أقل بكثير من أنواع البطاريات الأخرى. لكن هذا النوع من البطاريات لديه إمكانات لا مثيل لها مقارنة بالبطاريات الأخرى. بالنسبة لهذا النوع من البطاريات الشمسية، تركز الأبحاث الحالية بشكل رئيسي على اختيار المواد، وتحسين الأجهزة، وآلية نقل الإلكترونات الداخلية من أجل تحسين الكفاءة والاستقرار لخلايا الشمسية النقاط الكمومية (QDSCs).

بعد أكثر من نصف قرن من التطوير والتحسين، تتمتع بطاريات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري بكفاءة عالية واستقرار. لفترة طويلة في المستقبل، ستظل بطاريات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري تهيمن على صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. يركز العمل المستقبلي بشكل أساسي على تبسيط عملية تصنيع بطاريات الطاقة الشمسية وتقليل تكلفة تصنيع البطاريات، لتسهيل الترويج الإضافي لبطاريات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري. في الوقت نفسه، طور العلماء أيضًا مجموعة متنوعة من بطاريات الطاقة الشمسية الرقيقة، مثل بطاريات الطاقة الشمسية الرقيقة من GaAs وCdTe وCTGS وغيرها. مقارنةً ببطاريات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري، فإن تكلفة إنتاج بطاريات الطاقة الشمسية الرقيقة قد انخفضت بشكل كبير، وكفاءتها تقترب أكثر فأكثر من كفاءة بطاريات الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري. ومع ذلك، تحتوي معظم بطاريات الطاقة الشمسية الرقيقة على عناصر نادرة أو سامة، مما يؤدي إلى مشاكل في السلامة. لا يزال من الضروري تصحيح وفحص الوحدة الكيميائية التجارية، لذا يحتاج العمل اللاحق إلى تحسين العملية (مثل التشويب، إلخ)، وزيادة الكفاءة، وتقليل تكاليف الإنتاج، وتحسين الاستقرار. مقارنةً بنوعَي بطاريات الطاقة الشمسية السابقين، تتمتع بطاريات الطاقة الشمسية من الجيل الثالث بآفاق تطبيق أعلى وإمكانات تطوير أكبر، ولكن نظرًا لتورطها في المجال المجهري، فإن عملية التصنيع والمتطلبات أكثر تعقيدًا، ويحتاج آلية نقل الشحن على الواجهة إلى مزيد من الاستكشاف.