تصنيف بطاريات الطاقة الشمسية - الجيل الثالث من البطاريات الشمسية

تصنيف بطاريات الطاقة الشمسية - الجيل الثالث من بطاريات الطاقة الشمسية

1. بطاريات الطاقة الشمسية الحساسة للأصباغ

بطاريات DSSCs هي فئة من البطاريات التي تحاكي مبدأ التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء لتحويل طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء. تتكون بطاريات DSSCs السائلة بشكل رئيسي من الأنود الضوئي، والإلكتروليت السائل، والكاثود الضوئي. يقوم الأنود الضوئي بتحضير طبقة من فيلم شبه موصل مسامي على مادة الركيزة الموصلة ويُرفق بها طبقة من الصبغة الحساسة للضوء؛ بينما يقوم الكاثود الضوئي بتحضير طبقة من البلاتين أو مادة محفزة تحتوي على الكربون على مادة الركيزة الموصلة. في الأنود الضوئي، المادة الكهربائية الرئيسية هي TiO2. عندما تُرفق طبقة من الصبغة الحساسة للضوء ذات خصائص امتصاص ضوئي جيدة على سطح TiO2، تمتص الصبغة في حالتها الأرضية الضوء وتنتقل إلى حالة مثارة، ثم تقوم الصبغة المثارة بحقن الإلكترونات في نطاق التوصيل لـ TiO2. يتم فصل الحوامل الكهربائية، ويتم نقلها إلى القطب المقابل عبر الدائرة الخارجية. في محلول الإلكتروليت، يحصل I3- على الإلكترونات عند القطب المقابل ويتحول إلى I-، وتعود الصبغة المؤكسدة بعد حقن الإلكترونات إلى حالتها الأرضية بواسطة I-. ويتأكسد I- نفسه إلى I3-، مما يكمل الدورة بأكملها.
تتمتع بطاريات DSSCs بمزايا التركيب البسيط وتوفر مصادر المواد، لكن معظمها يستخدم إلكتروليتات سائلة، مما يؤدي إلى تآكل الأقطاب، وتسرب الإلكتروليت، وضعف استقرار البطارية. استجابةً لهذه المشاكل، أحرز الباحثون تقدمًا في تطوير حساسات عضوية نقية وبطاريات DSSCs الحالة الصلبة. السبب في صعوبة تحسين كفاءة DSSCs هو أن الصبغات الحساسة الحالية لا تستطيع استخدام الفوتونات تحت الحمراء بفعالية، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة امتصاص الضوء. لذلك، سيكون التركيز المستقبلي على تطوير حساسات صبغية فعالة، مستقرة، رخيصة، وغير معتمدة على الروثينيوم، تستجيب للضوء القريب من تحت الأحمر. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين قدرة نقل الإلكترونات داخل البطارية، وتحضير إلكتروليتات صلبة عالية الكفاءة والمتانة، وإيجاد أقطاب مقابل رخيصة غير بلاتينية، وتحسين العمر الافتراضي الكلي للبطارية، كلها أمور ذات أهمية كبيرة لتعزيز بطاريات DSSCs.

2. بطاريات الطاقة الشمسية البيروفيسكايت

نشأة بطاريات PSCs جاءت من تطوير بطاريات DSSCs، والفرق هو أن بطاريات PSCs تستخدم مواد هجينة عضوية/غير عضوية من نوع البيروفيسكايت بدلاً من جزيئات الصبغة العضوية كمادة ماصة للضوء. تتكون بطاريات PSCs من طبقة نانوية متبلورة كثيفة، وطبقة نشطة من البيروفيسكايت ABX3 (حيث X=Cl-، Br-، I-)، وطبقة نقل الشحنات الموجبة، والقطب المقابل. تتميز طبقة الامتصاص ABX3 بهيكل ثلاثي الأبعاد نموذجي. حيث تمثل A أيون أمين عضوي (CH3NH3+) يشغل مركز مكعب ثماني الأوجه؛ وB تمثل كاتيون معدني يمكنه التنسيق لتشكيل ثماني الأوجه، مثل Pb+، Nb+، Ti4+، Fe3+، وغيرها؛ وX تمثل أيون أنيون يمكنه التنسيق مع B لتشكيل ثماني الأوجه، وعادة ما تكون أيونات الهالوجين مثل Cl-، Br-، I-. تتصل ثماني الأوجه الهالوجينية في هذا النوع من مواد البيروفيسكايت بشكل مشترك لتكوين هيكل شبكي ثلاثي الأبعاد مستقر. تشمل طرق تحضير مواد البيروفيسكايت الطريقة المحلولة، طريقة التبخير المشترك، طريقة المحلول بمساعدة الطور الغازي، وطريقة التبادل الجزيئي.
منذ ظهور بطاريات PSCs، زادت كفاءة التحويل الكهروضوئي بمعدل شبه خطي، مما يدل على الإمكانات الكبيرة لهذه  بطاريات الطاقة الشمسية. بالرغم من الكفاءة العالية لبطاريات PSCs، إلا أن استقرارها ضعيف للغاية. لذلك، يسعى العلماء إلى عدة طرق لحل مشكلة الاستقرار. يتم طلاء سطح جهاز PSCs بطبقة من البوليمر الحساس للضوء المفلور بواسطة بلمرة جذور ضوئية عند درجة حرارة الغرفة. تمنح هذه الطبقة متعددة الوظائف الجزء الأمامي من جهاز PSCs خصائص التنظيف الذاتي والتلألؤ، وتضمن أن الجزء الخلفي من الجهاز يتمتع بخواص كارهة للماء بشكل فائق، مما يمنع تأثير بخار الماء في الهواء على سطح الجهاز. تحت ظروف الضوء المرئي، يعيد البوليمر الضوئي إصدار ضوء فوق بنفسجي، مما يجعل كفاءة PSCs تصل إلى 19% تحت الإضاءة القياسية. أُجريت اختبارات لمدة 6 أشهر في بيئة هوائية وتحت تأثير كيميائي ضوئي، وأظهرت النتائج أن الخصائص الكهروضوئية لـ PSCs حافظت على أدائها بشكل جيد في جميع الجوانب، مما يشير إلى تحسن مستمر في أداء هذا النوع من بطاريات الطاقة الشمسية. لذلك، يجب أن يركز العمل المستقبلي على توحيد معايير العمل لهذا النوع من البطاريات، مثل مواصفات الاستقرار، ومعايير اختبار الشيخوخة، وغيرها. مع تقدم التكنولوجيا، قد تتفوق بطاريات PSCs على بطاريات الطاقة الشمسية الرقيقة وتصبح لاعبًا جديدًا في صناعة الخلايا الشمسية.

3. بطاريات الطاقة الشمسية ذات النقاط الكمومية

النقاط الكمومية هي مواد نانوية ذات أبعاد صفرية، مما يعني أن الأبعاد الثلاثة للنقاط الكمومية أصغر من طول موجة دي برولي للإثارات في المواد السائبة. حركة الإلكترونات الداخلية فيها مقيدة في جميع الاتجاهات، أي أن تأثير الحصر الكمومي واضح بشكل خاص. مقارنة بالمواد السائبة التقليدية، تتمثل ميزة النقاط الكمومية في أنه من خلال تأثير النفق الرنيني، يمكنها تحسين معدل جمع الحوامل الضوئية المتولدة في البطارية، مما يزيد التيار؛ ومن خلال تعديل حجم وشكل النقاط الكمومية، يتم تحسين مستوى الطاقة للنقاط الكمومية وتوافقها مع طيف الشمس، مما يزيد من معدل امتصاص الضوء. بعض النقاط الكمومية (مثل PbSe) يمكنها امتصاص فوتون عالي الطاقة لتوليد أزواج إلكترون-ثقب متعددة، وهو ما يعرف بتأثير الإثارة المتعددة. الكفاءة النظرية المتوقعة لبطاريات QDSCs ذات الوصلة الواحدة يمكن أن تصل إلى 44%، متجاوزة بكثير حد شوكلي-كويزر لبطاريات السيليكون.
منذ نشأتها، أظهرت النقاط الكمومية مزايا فريدة مثل تنوع مصادر المواد، قابلية تعديل فجوة الطاقة، وكفاءة تحويل كهروضوئية عالية، مما يشير إلى أن بطاريات QDSCs تمتلك إمكانات كبيرة. ومع ذلك، بسبب تعقيد المجال الميكروي لهذه البطاريات، فإن عملية التصنيع ومتطلباتها مرتفعة نسبيًا، ولا يزال مبدأ نقل الإلكترونات الداخلي قيد البحث، مما يؤدي إلى كفاءتها المنخفضة مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. لكن هذه البطاريات تمتلك إمكانات لا تضاهى. يتركز البحث الحالي على اختيار المواد، تحسين الأجهزة، وآلية نقل الإلكترونات الداخلية لتحسين كفاءة واستقرار بطاريات QDSCs.

بعد أكثر من نصف قرن من التطوير والتحسين، تتمتع بطاريات السيليكون البلوري بكفاءة واستقرار عالٍ. وستظل بطاريات السيليكون البلوري مسيطرة على صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لفترة طويلة في المستقبل. يتركز العمل المستقبلي بشكل رئيسي على تبسيط عملية تصنيع البطاريات وتقليل تكلفة التصنيع لتسهيل الترويج الواسع لبطاريات السيليكون البلوري. في الوقت نفسه، طور العلماء عدة أنواع من بطاريات الأفلام الرقيقة مثل بطاريات GaAs، CdTe، CTGS وغيرها. مقارنة ببطاريات السيليكون البلوري، تقل تكلفة إنتاج بطاريات الأفلام الرقيقة بشكل كبير، وتقترب كفاءتها تدريجيًا من كفاءة بطاريات السيليكون البلوري. ومع ذلك، تحتوي معظم بطاريات الأفلام الرقيقة على عناصر نادرة أو سامة، مما يسبب مشاكل في السلامة. لا تزال الوحدات الكيميائية التجارية بحاجة إلى تصحيح وفحص، لذا يتطلب العمل المستقبلي تحسين العمليات (مثل التطعيم)، رفع الكفاءة، خفض التكاليف، وتحسين الاستقرار. مقارنةً بالنوعين السابقين من بطاريات الطاقة الشمسية، تتمتع بطاريات الجيل الثالث بآفاق تطبيق وتطوير أعلى، لكنها بسبب تعقيد المجال الميكروي، تتطلب عمليات تصنيع ومتطلبات أكثر تعقيدًا، ويحتاج آلية نقل الشحنة بين الواجهات إلى مزيد من البحث.