ثورة في الطاقة الشمسية: غطاء ثلاثي الأبعاد يزيد كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة 25%

طور فريق دولي من العلماء والباحثين بقيادة جامعة الملك خالد في المملكة العربية السعودية غطاء مضادًا للانعكاس مطبوعاً بتقنية ثلاثية الأبعاد، يمكن أن يزيد من كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة تصل إلى 25%. إذ دمج الباحثون كوبوليمرات الأوليفينات الحلقية مع مسحوق أكسيد الألومنيوم لإنشاء خيوط يمكن استخدامها بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء أغلفة مضادة للانعكاس لألواح الطاقة الكهروضوئية.

غطاء يزيد كفاءة الخلايا الشمسية

يعتمد الغطاء على كوبوليمرات الأوليفينات الحلقية (COC) وهي بوليمرات ذات خصائص ميكانيكية وشفافية استثنائية، وقد أضيف إليها مسحوق أكسيد الألومنيوم (Al2O3) بتركيزات مختلفة والذي يُعرف بخصائصه المضادة للانعكاس المحسنة.

تم طباعة الغطاء الجديد ثلاثي الأبعاد بحجم 52 مم × 38 مم × 1 مم وتم وضعه على خلايا شمسية من السيليكون متعدد البلورات. كما تم إنشاء خيط الطابعة في المنزل عن طريق تسخين بوليمر “COC” ومسحوق أكسيد الألومنيوم حتى يصلوا إلى حالة منصهرة. ثم مُرّر الخليط عبر مغزل وتمت معالجته لاحقًا.  إذ تم إنشاء خمسة خيوط، واحدة من ” COC” النقية والأخرى بنسبة 1% بالوزن (COCA 1)، و 2% بالوزن (COCA 2)، و 3%بالوزن (COCA 3)، و 4% بالوزن (COCA 4) من أكسيد الألومنيوم.

ووفقاً للفريق فإن تصميم الغلاف ثلاثي الأبعاد تم بواسطة برنامج قياسي للتصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD). وقد تم إنتاج العينات باستخدام فوهة يبلغ قطرها 0.4 مم.  إذ يتم الحفاظ على درجة حرارة عند 60 درجة مئوية، ويتم ضبط سمك الطبقة عند 0.2 مم، ويتم ضبط زاوية المسح عند 45، ويكون نمط التعبئة خطيًا بدون دعم.

الاختبارات والنتائج

تم اختبار جميع المنتجات من حيث الشكل والسلوك البنيوي، والخصائص الميكانيكية، والخصائص البصرية، والكفاءة الكمية الخارجية (EQE) والكفاءة الكمية الداخلية (IQE)، والاستجابة الطيفية، والخصائص الكهربائية، وخصائص I-V. وكانت النتائج:

• وُجد أن غطاء “COCA3” يتمتع بأعلى نفاذية بنسبة 94.65% وأقل انعكاس بنسبة 5.35%.
• وجد العلماء أيضًا أن الانعكاس يزداد عند زوايا السقوط الأعلى، من 5.35% عند 0 درجة مئوية إلى 21.32% عند 80 درجة مئوية لعينة “COCA3″، وتنخفض النفاذية من 94.65% عند 0 درجة مئوية إلى 78.68% عند 80 درجة مئوية لنفس العينة
• ذروة الاستجابة الطيفية زادت من حوالي 0.05 إلى حوالي 0.58 أمبير /واط عند 850 نانومتر.

علاوة على ذلك، أظهر الاختبار أن حركة حاملات الشحنة زادت تدريجياً مع انخفاض المقاومة الكهربائية في الخلية المغطاة بـ “COCA3”. كما وجد أن غطاء “COCA3” له مقاومة كهربائية أقل، وكذلك حركة حاملات شحنة أعلى.

وخلصت المجموعة إلى أن “كفاءة تحويل الطاقة لخلايا الطاقة الكهروضوئية المغلفة بـ “COCA” زادت من 13.74%إلى 18.34% في ظل ظروف خاضعة للرقابة ومن 12.88% إلى 17.21% في ظل ظروف الهواء الطلق لتركيز 3% وزن من أكسيد الألمونيوم “COCA3″. وإن إضافة أكسيد الألمونيوم بتركيز 4%، يقلل كلاً من جهد الدارة المفتوحة وتيار القصر، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة الخلية الكهروضوئية”.