خلية ضوئية من الجيل الثالث

تُعدّ الخلايا الكهروضوئية من الجيل الثالث خلايا شمسية قادرة على تجاوز حدّ شوكلي-كويسر الذي يتراوح بين 31 و41% لكفاءة الطاقة في الخلايا الشمسية أحادية فجوة النطاق . ويشمل ذلك مجموعة من البدائل للخلايا المصنوعة من وصلات p-n شبه الموصلة ("الجيل الأول") والخلايا الرقيقة ("الجيل الثاني"). تتضمن أنظمة الجيل الثالث الشائعة خلايا متعددة الطبقات ("ترادفية") مصنوعة من السيليكون غير المتبلور أو زرنيخيد الغاليوم ، بينما تشمل التطورات النظرية الأخرى تحويل التردد (أي تغيير ترددات الضوء التي لا تستطيع الخلية استخدامها إلى ترددات ضوئية تستطيع الخلية استخدامها، وبالتالي إنتاج طاقة أكبر)، وتأثيرات حاملات الشحنة الساخنة، وتقنيات أخرى لإخراج حاملات الشحنة المتعددة. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

تشمل التقنيات الكهروضوئية الناشئة ما يلي:

• خلية شمسية من كبريتيد النحاس والزنك والقصدير (CZTS)، ومشتقاتها CZTSe وCZTSSe
• الخلية الشمسية الحساسة للصبغة ، والمعروفة أيضًا باسم "خلية غراتزل"
• خلية شمسية عضوية
• خلية شمسية من البيروفسكايت
• خلية شمسية بنقاط كمومية

حظيت خلايا البيروفسكايت، على وجه الخصوص، باهتمام كبير نظرًا لارتفاع كفاءتها البحثية لتتجاوز 20%. كما أنها توفر مجموعة واسعة من التطبيقات منخفضة التكلفة. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} بالإضافة إلى ذلك، تستخدم تقنية أخرى ناشئة، وهي الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV)، خلايا شمسية متعددة الوصلات عالية الكفاءة مع عدسات بصرية ونظام تتبع.

يمكن اعتبار الخلايا الشمسية نظيراً للضوء المرئي لأجهزة استقبال الراديو . يتكون جهاز الاستقبال من ثلاثة أجزاء أساسية: هوائي يحول موجات الراديو (الضوء) إلى حركات موجية للإلكترونات في مادة الهوائي، وصمام إلكتروني يحبس الإلكترونات عند خروجها من طرف الهوائي، وموالف يُضخّم الإلكترونات ذات التردد المحدد. من الممكن بناء خلية شمسية مطابقة لجهاز الراديو، وهو نظام يُعرف باسم " مقوم هوائي بصري" ، ولكن حتى الآن لم يكن ذلك عملياً.

تُشكل الأجهزة المصنوعة من السيليكون غالبية سوق الطاقة الشمسية. في خلايا السيليكون، يعمل السيليكون كهوائي (أو مانح للإلكترونات ، من الناحية التقنية) وكصمام إلكتروني في آن واحد. يتوفر السيليكون بكثرة، وهو رخيص نسبيًا، وله فجوة طاقة مثالية لتجميع الطاقة الشمسية. مع ذلك، فإن إنتاج السيليكون بكميات كبيرة مكلف من الناحيتين الطاقية والاقتصادية، وقد بُذلت جهود كبيرة لتقليل الكمية المطلوبة. علاوة على ذلك، فهو هش ميكانيكيًا، مما يستدعي عادةً استخدام لوح زجاجي قوي كدعامة ميكانيكية وحماية من العوامل الجوية. ويُشكل الزجاج وحده جزءًا كبيرًا من تكلفة وحدة الطاقة الشمسية النموذجية.

وفقًا لحدود شوكلي-كويسر، فإنّ معظم الكفاءة النظرية للخلية تعود إلى فرق الطاقة بين فجوة النطاق وفوتون الشمس. أي فوتون ذي طاقة أعلى من فجوة النطاق قادر على إحداث إثارة ضوئية، لكن أي طاقة أعلى من طاقة فجوة النطاق تُفقد. لنأخذ الطيف الشمسي كمثال؛ جزء صغير فقط من الضوء الذي يصل إلى الأرض أزرق، لكن طاقة هذه الفوتونات تعادل ثلاثة أضعاف طاقة الضوء الأحمر. تبلغ فجوة نطاق السيليكون 1.1 إلكترون فولت، وهي قريبة من طاقة الضوء الأحمر، لذا في هذه الحالة تُفقد طاقة الضوء الأزرق في خلية السيليكون. إذا تم ضبط فجوة النطاق على قيمة أعلى، مثلاً إلى اللون الأزرق، فسيتم امتصاص هذه الطاقة، ولكن على حساب رفض الفوتونات ذات الطاقة الأقل.

من الممكن تحسين أداء الخلية أحادية الوصلة بشكل كبير عن طريق تكديس طبقات رقيقة من مواد ذات فجوات طاقة متفاوتة فوق بعضها البعض، وهو ما يُعرف بنهج "الخلية الترادفية" أو "الخلية متعددة الوصلات" . لا تتناسب طرق تحضير السيليكون التقليدية مع هذا النهج. وقد استُخدمت بدلاً من ذلك أغشية رقيقة من السيليكون غير المتبلور، ولا سيما منتجات شركة Uni-Solar ، إلا أن بعض المشكلات حالت دون وصولها إلى مستوى أداء الخلايا التقليدية. تعتمد معظم هياكل الخلايا الترادفية على أشباه موصلات عالية الأداء، وخاصة زرنيخيد الغاليوم (GaAs). حققت خلايا زرنيخيد الغاليوم ثلاثية الطبقات كفاءة بلغت 41.6% في التجارب العملية. ^{[ 9 ]} وفي سبتمبر 2013، وصلت كفاءة خلية رباعية الطبقات إلى 44.7%. ^{[ 10 ]}

تُظهر التحليلات العددية أن الخلية الشمسية أحادية الطبقة "المثالية" يجب أن تمتلك فجوة طاقة تبلغ 1.13 إلكترون فولت، وهي قريبة جدًا من فجوة طاقة السيليكون. يمكن أن تصل كفاءة تحويل الطاقة النظرية القصوى لهذه الخلية إلى 33.7%، حيث تُفقد الطاقة الشمسية تحت اللون الأحمر (في نطاق الأشعة تحت الحمراء)، وكذلك الطاقة الزائدة للألوان الأعلى. أما بالنسبة للخلية ثنائية الطبقات، فيجب ضبط إحدى الطبقتين على 1.64 إلكترون فولت والأخرى على 0.94 إلكترون فولت، مع أداء نظري يبلغ 44%. بينما يجب ضبط الخلية ثلاثية الطبقات على 1.83 و1.16 و0.71 إلكترون فولت، بكفاءة تبلغ 48%. أما الخلية "اللامتناهية" النظرية، فستمتلك كفاءة نظرية تبلغ 68.2% للضوء المنتشر. ^{[ 11 ]}

بينما تتمحور تقنيات الطاقة الشمسية الجديدة التي تم اكتشافها حول تقنية النانو، إلا أن هناك العديد من طرق المواد المختلفة المستخدمة حاليًا.

يشمل مصطلح الجيل الثالث تقنيات متعددة، على الرغم من أنه يتضمن تقنيات غير أشباه الموصلات (بما في ذلك البوليمرات والمحاكاة الحيوية )، والنقاط الكمومية ، والخلايا الترادفية/متعددة الوصلات ، والخلايا الشمسية ذات النطاق المتوسط ، ^{[ 12 ] [ 13 ]} وخلايا حاملات الشحنة الساخنة ، وتقنيات تحويل الفوتونات لأعلى ولأسفل ، وتقنيات الطاقة الشمسية الحرارية ، مثل تقنية الفوتونات الحرارية ، وهي إحدى التقنيات التي حددها غرين على أنها من الجيل الثالث. ^{[ 14 ]}

ويتضمن أيضًا: ^{[ 15 ]}

• الهياكل النانوية السيليكونية
• تعديل الطيف الساقط ( الخلايا الكهروضوئية المركزة )، للوصول إلى 300-500 شمس وكفاءات 32٪ (التي تم تحقيقها بالفعل في خلايا Sol3g ^{[ 16 ]} ) إلى +50٪.
• استخدام الطاقة الحرارية الزائدة (الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية ) لتعزيز الفولتية أو تجميع حاملات الشحنة.
• استخدام طيف الأشعة تحت الحمراء لإنتاج الكهرباء ليلاً.

• فجوة النطاق
• هوائي نانوي
• الإلكترونيات العضوية
• الإلكترونيات المطبوعة

• أجيال مختلفة من الخلايا الشمسية
• البحث في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا
• منافسة الطاقة الشمسية في وادي سان جواكين
• السيليكون مقابل CIGS: في مجال الطاقة الشمسية، تكمن المشكلة في المادة
• تستهدف الشركة الناشئة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون الرقيق
• خلايا الطاقة الشمسية الرشاشة تمثل طفرة حقيقية
• الخلايا الشمسية: الضوء الجديد الرائع
• هوندا تعتزم إنتاج الجيل القادم من الخلايا الشمسية الرقيقة بكميات كبيرة
• مسرد المصطلحات