خلية شمسية مطبوعة بتقنية نفث الحبر

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الخلايا الشمسية النافثة للحبر هي خلايا شمسية يتم تصنيعها بأساليب منخفضة التكلفة وعالية التقنية تستخدم طابعة نافثة للحبر لوضع مادة أشباه الموصلات والأقطاب الكهربائية على ركيزة الخلية الشمسية .

يجري تطوير هذا النهج بشكل مستقل في مواقع مختلفة، بما في ذلك جامعة نيو ساوث ويلز [ 1 ] [ 2 ] ، وجامعة ولاية أوريغون [ 3 ]، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا [ 4 ] ، وشركة Saule Technologies [ 5 ]. على الرغم من أن الخلايا الشمسية المطبوعة بتقنية نفث الحبر لم تكن محط اهتمام كبير سابقًا نظرًا لكفاءتها المنخفضة نسبيًا، إلا أن ظهور خلايا البيروفسكايت الشمسية قد أدى إلى تجدد الاهتمام بتطويرها، نظرًا لطبيعتها القابلة للمعالجة بالمحاليل [ 6 ] . تصل كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية حاليًا إلى 25.2% [ 7 ] ، وقد ثبت أن خلايا البيروفسكايت الشمسية المطبوعة بالكامل بتقنية نفث الحبر قادرة على تحقيق كفاءة تحويل طاقة مستقرة (SPCE) تزيد عن 17% [ 8 ] .

تاريخ

ظهرت أولى تطبيقات الإلكترونيات المطبوعة عام 1903 عندما سجل ألبرت هانسون براءة اختراع لسلك "مطبوع". بعد ذلك، ساهم الراديو في دفع صناعة الإلكترونيات المطبوعة قُدماً. وحتى وقت قريب، لم تُستخدم طابعات نفث الحبر في هذه الصناعة. وقد اتجهت الصناعة نحو الطباعة بنفث الحبر لانخفاض تكلفتها وسهولة استخدامها. [ 9 ] ومن بين التطبيقات المستخدمة، الخلايا الشمسية المطبوعة بنفث الحبر. وكان كوناركا أول من صنع خلية شمسية باستخدام طابعة نفث الحبر عام 2008. [ 10 ] وفي عام 2011، تمكنت جامعة ولاية أوريغون من اكتشاف طريقة لإنتاج خلايا شمسية من نوع CIGS باستخدام طابعة نفث الحبر. وفي العام نفسه، تمكن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من إنتاج خلية شمسية باستخدام طابعة نفث الحبر على الورق. ولا يزال استخدام طابعة نفث الحبر في صناعة الخلايا الشمسية حديثاً جداً ويخضع للبحث والتطوير. [ 11 ] في عام 2014، قدمت أولغا مالينكيويتش عملية تصنيعها باستخدام الطباعة النفاثة للحبر لألواح البيروفسكايت في بوسطن (الولايات المتحدة الأمريكية) خلال اجتماع خريف جمعية أبحاث المواد - والتي حصلت على جائزة المبتكرين تحت سن 35 من مجلة MIT Technology Review. [ 12 ]

كيف يتم صنعها

تُصنع الخلايا الشمسية المطبوعة بتقنية نفث الحبر عمومًا باستخدام طابعة نفث الحبر لوضع مادة أشباه الموصلات والأقطاب الكهربائية على ركيزة الخلية الشمسية. [ 13 ] يمكن تصنيع كل من الخلايا الشمسية العضوية وغير العضوية باستخدام هذه التقنية. كانت الخلايا الشمسية غير العضوية المطبوعة بتقنية نفث الحبر تُعرف سابقًا باسم خلايا CIGS الشمسية، بينما تُعرف الخلايا الشمسية العضوية باسم خلايا البوليمر الشمسية . كما تُعد طباعة خلايا البيروفسكايت الشمسية الهجينة بتقنية نفث الحبر ممكنة، وهي الآن محور اهتمام رئيسي. ويجري استكشاف الطباعة بتقنية نفث الحبر كطريقة لإضافة مكونات الخلية الأخرى إلى الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون . [ 14 ] يُعد المكون الوظيفي أهم مكون في الحبر: خليط من الأملاح المعدنية (CIGS)، أو مزيج من البوليمر والفوليرين ( خلايا البوليمر الشمسية )، أو مادة أولية من الأملاح العضوية وغير العضوية المختلطة ( خلايا البيروفسكايت الشمسية ). تُذاب هذه المكونات في مذيب مناسب. ويمكن إضافة مكونات أخرى للتأثير على لزوجة الحبر وتوتره السطحي لتحسين قابلية الطباعة والترطيب على الركيزة. يُخزَّن الحبر في خرطوشة، ومنها يُنقل إلى سطح الطباعة الذي قد يختلف. تتم الطباعة عادةً بواسطة مُشغِّل كهرضغطي في فوهات رأس الطباعة، مُبرمج لتطبيق أنماط ضغط مُحددة مسبقًا لقذف القطرات. في أغلب الأحيان، تُرسَّب عدة طبقات من المواد الوظيفية فوق بعضها لتكوين خلية شمسية عاملة. يمكن إتمام عملية الطباعة بالكامل في الظروف المحيطة، مع أن معظم الحالات تتطلب معالجات حرارية إضافية. من العوامل المهمة لكفاءة الخلايا الشمسية العضوية المطبوعة بتقنية نفث الحبر: زمن استجابة نفث الحبر، ودرجة حرارة طاولة الطباعة، وتأثير الخصائص الكيميائية لمُعطي البوليمر. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

المزايا

تتمثل الميزة الرئيسية لطباعة الخلايا الشمسية باستخدام طابعة نفث الحبر في انخفاض تكلفة الإنتاج. ويعود انخفاض التكلفة مقارنةً بالطرق الأخرى إلى عدم الحاجة إلى استخدام الفراغ، مما يقلل من تكلفة المعدات. كما أن الحبر المستخدم عبارة عن مزيج منخفض التكلفة من أملاح المعادن، مما يساهم في خفض تكلفة الخلايا الشمسية. ويُلاحظ انخفاض كبير في هدر المواد عند استخدام طابعات نفث الحبر لترسيب مواد أشباه الموصلات، مقارنةً بطرق أخرى مثل الترسيب بالطور البخاري. ويعود ذلك إلى قدرة الطابعة على إنشاء أنماط دقيقة مع الحد الأدنى من الهدر.

مشاكل

لا تكمن المشكلة الأساسية في الخلايا الشمسية المطبوعة بتقنية نفث الحبر في الخلايا نفسها، بل في ضمان تحسين عملية التصنيع، كاستخدام الأحبار في الطباعة وعمليات التجفيف؛ إذ يتطلب ذلك التحكم في متغيرات متعددة وتحسينها، مثل اللزوجة والتقلب والتوتر السطحي [ 18 ]، والتي يمكن تعديلها بتغيير المذيب والمادة المذابة. إضافةً إلى ذلك، توجد مخاوف بشأن سمية كلٍّ من المذيبات المستخدمة ومواد أشباه الموصلات المستخدمة في الخلايا الشمسية.

الطباعة النفاثة للحبر للخلايا الشمسية السيليكونية

يجري استكشاف الطباعة النفاثة للحبر كتقنية ترسيب لطبقات الأقطاب الكهربائية في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون. [ 14 ] تتطلب هذه الخلايا موصلات أمامية (عادةً من الفضة ) للمساعدة في تدفق التيار الكهربائي ورفع كفاءة الخلية إلى أقصى حد. وهذا يمثل تحديًا بين تظليل أجزاء من سطح الخلية وتحسين تدفق التيار. ورغم أن استخدام الطباعة النفاثة للحبر لترسيب هذه الشبكة الموصلة من الفضة قد أسفر حتى الآن عن كفاءة أقل مقارنةً بتقنيات الترسيب الأخرى، إلا أنها مفيدة لأنها تتيح إنشاء شبكة دقيقة للغاية بأي نمط دون الحاجة إلى تقنيات تصنيع معقدة ومُهدرة للموارد، مثل الطباعة الحجرية أو الحفر.

تُعدّ تقنية إنشاء نسيج سطحي إحدى التقنيات الرئيسية الأخرى التي يمكن استخدامها لتقليل الفقد الضوئي (زيادة امتصاص الضوء) في الخلايا الشمسية، لأنها تُقلل من فقدان الانعكاس. ورغم أنها تُحسّن الكفاءة بشكل كبير، إلا أن هذه التقنية لا تُستخدم عادةً بسبب تعقيد وتكلفة تقنيات التصنيع اللازمة، مثل الطباعة الضوئية. مع ذلك، تُتيح الطباعة النفاثة للحبر فرصةً لتسهيل هذه العملية وجعلها أكثر سهولة، إذ يُمكن طباعة قناع مُنمّط على السطح ثم حفره (ربما باستخدام محلول).

الطباعة النفاثة للحبر لخلايا الطاقة الشمسية المصنوعة من سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)

تم استكشاف تقنيات الطباعة النفاثة للحبر لتصنيع الخلايا الشمسية الرقيقة من نوع CIGS ، [ 14 ] وهي ذات أهمية خاصة نظرًا لانخفاض النفايات الناتجة عن ترسيب المواد بشكل كبير. غالبًا ما تُستخدم تقنيات الترسيب بالرش لترسيب طبقة CIGS في هذه الخلايا، وهي تقنية ذات نفايات منخفضة نسبيًا؛ ومع ذلك، توفر الطباعة النفاثة للحبر خيارًا أقل نفايات، إذ تسمح بترسيب المادة في المواقع المطلوبة بدقة على السطح المراد طلائه. يُعدّ تقليل النفايات في عملية إنتاج خلايا CIGS أمرًا بالغ الأهمية، لأن تكاليف مكونات الطبقة الماصة للضوء (النحاس، والإنديوم، والغاليوم، والسيلينيد) أعلى بكثير مقارنةً بأنواع الخلايا الشمسية الأخرى، ويعود ذلك أساسًا إلى ندرة الإنديوم والغاليوم والسيلينيوم . تُعدّ الألواح الشمسية المصنوعة من CIGS جذابةً بشكل أساسي لأنها تعمل كخلايا شمسية رقيقة (وبالتالي تتطلب مواد أقل بكثير)، ولها كفاءة مماثلة (23.6% [ 19 ] ) مقارنةً بالألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون البلوري (26.7% [ 20 ] )، مع أن خلايا CIGS الشمسية تميل في الواقع إلى العمل بكفاءة أعلى من نظيراتها المصنوعة من السيليكون. كما تُوفّر طرق الطباعة النفاثة للحبر خيارًا أكثر ملاءمةً للبيئة، لأنها لا تتطلب استخدام مواد كيميائية سامة لتحضير الخلية الشمسية كما هو الحال في الطرق الأخرى. [ 11 ] [ 17 ] ويجري أيضًا استكشاف استخدام الطباعة النفاثة للحبر في ترسيب طبقة التلامس الأمامية لخلايا CIGS. [ 14 ]

الطباعة النفاثة للحبر للخلايا الشمسية البيروفسكايت

ينصبّ التركيز الرئيسي على تركيب البيروفسكايت المستخدم في جميع أنواع الخلايا الشمسية. وينصبّ اهتمام الأبحاث الحالية على خلايا البيروفسكايت الشمسية على كيفية جعلها أكثر أمانًا، نظرًا لمخاوف السمية المتعلقة بالمواد المستخدمة في تصنيعها والمذيبات المستخدمة في ترسيبها. ويُعدّ هذا التركيز على إنتاج مواد أكثر أمانًا محورًا أساسيًا لأبحاث خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل عام. وفي حالة ضوابط التصنيع لطباعة البيروفسكايت بتقنية نفث الحبر، من المهم أيضًا التحكم في عوامل مثل تركيب البيروفسكايت وحجم الجسيمات.

محتمل

تتمتع الخلايا الشمسية المطبوعة بتقنية نفث الحبر بإمكانيات هائلة، على الرغم من أن كفاءتها أقل من مواد الخلايا الشمسية الأكثر شيوعًا، وذلك لسهولة تصنيعها. إذ يمكن طباعتها في الظروف المحيطة، وتتطلب درجات حرارة تلدين منخفضة نسبيًا. [ 21 ] [ 8 ] ومن خلال تحسين هندسة الحبر، [ 18 ] يمكن لهذه الخلايا الشمسية أن تُشكّل مسارًا ممتازًا لتطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية.

في الخلايا الشمسية التقليدية، عادةً ما تكون تكلفة المادة الحاملة للمادة الكهروضوئية أعلى من تكلفة المادة نفسها. أما مع الطباعة النفاثة للحبر، فيُمكن طباعة الخلايا الشمسية على الورق، مما سيُتيح إنتاج خلايا شمسية أرخص بكثير وتركيبها في أي مكان تقريبًا. ستُمكّن الخلايا الشمسية الرقيقة جدًا، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة في نهاية المطاف ، من تصنيع خلايا شمسية على الستائر، والنوافذ، والجدران، وفي أي مكان تقريبًا في المنزل. هذا واعد للغاية، وقد يكون مستقبل الطاقة الشمسية. [ 22 ]

انظر أيضاً

- خلية شمسية من البيروفسكايت - خلية شمسية من CIGS - خلية شمسية عضوية

مراجع

  1. ↑ سميث، ديبورا (20 أغسطس 2008). "التفكير خارج الصندوق يجد النور في الفرن" . صحيفة سيدني مورنينغ هيرالد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أغسطس 2008 .
  2. ↑ لينون، أليسون جيه؛ أوتاما، رولاند واي؛ وآخرون (2008). "تشكيل فتحات في طبقات أشباه الموصلات للخلايا الشمسية السيليكونية باستخدام الطباعة النفاثة للحبر". مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية . 92 (11): 1410-1415 . Bibcode : 2008SEMSC..92.1410L . doi : 10.1016/j.solmat.2008.05.018 . 
  3. ↑ "بي بي سي نيوز - علماء يستخدمون الطباعة النفاثة لإنتاج خلايا شمسية" . bbc.co.uk. 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 فبراير 2012 .
  4. ↑ تشاندلر، ديفيد ل. (2012). "بينما أنت مستيقظ، اطبع لي خلية شمسية - مكتب أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" . web.mit.edu . تم الاسترجاع في 20 فبراير 2012 .
  5. ↑ إميليا ويدزيوك (15 مارس 2016). "ثورة البيروفسكايت تلوح في الأفق - ITKeyMedia" . itkey.media .
  6. ↑ سنايث، هنري ج. (2013). "البيروفسكايت: ظهور عصر جديد للخلايا الشمسية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة". مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية . 4 (21): 3623-3630 . doi : 10.1021/jz4020162 .
  7. ↑ غرين، مارتن أ.؛ دنلوب، إيوان د.؛ يوشيتا، ماساهيرو؛ كوبيداكيس، نيكوس؛ بوث، كارستن؛ سيفر، جيرالد؛ هينكين، ديفيد؛ راور، مايكل؛ هول-إيبينغر، يوشين؛ هاو، شياوجينغ (2024). "جداول كفاءة الخلايا الشمسية (الإصدار 64)" . التقدم في الخلايا الكهروضوئية: البحوث والتطبيقات . 32 (7): 425-441 . doi : 10.1002/pip.3831 . ISSN 1099-159X . 
  8. 1 2 شاكمار، فابيان؛ إيغرز، هيلج؛ فريريكس، ماركوس؛ ريتشاردز، برايس س.؛ ليمر، أولي؛ هيرنانديز-سوسا، جيراردو؛ بايتزولد، أولريش و. (2021). "خلايا شمسية من البيروفسكايت ذات طبقات امتصاص ونقل شحنات مطبوعة بالكامل بتقنية نفث الحبر" . تقنيات المواد المتقدمة . 6 (2) 2000271. doi : 10.1002/admt.202000271 . ISSN 2365-709X . 
  9. ↑ سافاستانو، ديفيد. "الطباعة النافثة للحبر تحقق مكاسب في مجال الإلكترونيات المطبوعة" . مجلة الإلكترونيات المطبوعة الآن. مؤرشف من الأصل في 30 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه في 16 فبراير 2013 .
  10. ↑ "كوناركا تعلن عن أول عرض توضيحي على الإطلاق للخلايا الشمسية المطبوعة بتقنية نفث الحبر" . كوناركا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 فبراير 2013 .
  11. 1 2 "الطباعة النافثة للحبر قد تغير وجه صناعة الطاقة الشمسية" . جامعة ولاية أوريغون . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 فبراير 2013 .
  12. ↑ "أولغا مالينكيويتش | المبتكرون تحت سن 35" . innovatorsunder35.com . 2015. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2017-08-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2017-08-04 .
  13. ↑ لامبرت، سي إم (نوفمبر 2008). "تشكيل فتحات في طبقات أشباه الموصلات للخلايا الشمسية السيليكونية باستخدام الطباعة النفاثة للحبر". مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية . 92 (11): 1410-1415 . Bibcode : 2008SEMSC..92.1410L . doi : 10.1016/j.solmat.2008.05.018 .
  14. 1 2 3 4 كاروناكاران، سانثوش كومار؛ أروموجام، جوري مانوهاري؛ يانغ، وينتاو؛ قه، سيجي. خان، ساقيب نواز؛ لين، شيان تشونغ؛ يانغ ، جووي (2019/06/11). "التقدم الأخير في الخلايا الشمسية المطبوعة بنفث الحبر" . مجلة كيمياء المواد أ . 7 (23): 13873-13902 . دوى : 10.1039 / C9TA03155C . ISSN 2050-7496 . 
  15. ↑ هوث، كلوديا؛ بافيل شيلينسكي؛ ستيليوس أ. شوليس؛ كريستوف ج. برابيك (7 أغسطس/آب 2008). "طباعة خلايا شمسية عضوية عالية الكفاءة". رسائل نانو . 8 (9): 2806-2813 . رمز Bibcode : 2008NanoL...8.2806H . CiteSeerX 10.1.1.578.5674 . doi : 10.1021/nl801365k . PMID 18683989 .  
  16. ↑ إيرنوتس، ت. (25 يناير 2008). "خلايا شمسية عضوية قائمة على البوليمر باستخدام طبقات فعالة مطبوعة بتقنية نفث الحبر" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . الإلكترونيات العضوية والضوئيات. 92 (3): 033306. رمز Bibcode : 2008ApPhL..92c3306A . doi : 10.1063/1.2833185 .
  17. 1 2 وانغ، وي (سبتمبر 2011). "خلايا شمسية رقيقة من الكالكوبيريت CuInxGa1−xSe2 مطبوعة بتقنية نفث الحبر". مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية . 95 (9): 2616-2620 . doi : 10.1016/j.solmat.2011.05.011 .
  18. 1 2 فيثال ساتالي، فيناياك؛ بينج لي، هوك؛ تياجي، برخا؛ ماياجي أوفال، مانوج؛ شودري، ساجنيك؛ محمد، أسماء؛ كيم، دو هيونغ؛ كانغ ، جاي ووك (2024/08/01). "هندسة الحبر باستخدام مذيب 1،3-ثنائي ميثيل-2-إيميدازوليدينون لخلايا بيروفسكايت الشمسية ثلاثية الكاتيونية المطبوعة بنفث الحبر بكفاءة" . مجلة الهندسة الكيميائية . 493 152541. دوى : 10.1016/j.cej.2024.152541 . ردمك 1385-8947 . 
  19. ↑ كيلر، جان؛ كيسلمان، كلارا؛ دونزيل-غارغاند، أوليفييه؛ مارتن، ناتاليا م.؛ بابوتشي، ميليكي؛ لوندبيرغ، أولي؛ والين، إريك؛ ستولت، لارس؛ إيدوف، ماريكا (أبريل 2024). "سبائك الفضة عالية التركيز وتدرج الغاليوم الحاد في التلامس الخلفي يُمكّنان من تصنيع خلية شمسية من سيلينيد غاليوم الإنديوم النحاسي بكفاءة 23.6%" . مجلة نيتشر للطاقة . 9 (4): 467-478 . doi : 10.1038/s41560-024-01472-3 . ISSN 2058-7546 . 
  20. ^ أندرياني، لوسيو كلاوديو؛ بوزولا، أنجيلو؛ كووالتشيفسكي، بيوتر؛ ليسسيديني، ماركو؛ ريدوريسي ، ليزا (2019/01/01). "خلايا السيليكون الشمسية: نحو حدود الكفاءة" . التقدم في الفيزياء : العاشر . 4 (1) 1548305. دوى : 10.1080/23746149.2018.1548305 .
  21. ↑ تشانغ، زيكسوان؛ لي، تشوران؛ تشن، يانفنغ؛ تشانغ، تشونغجين؛ فان، كاي؛ تشن، شييان؛ ليو، ليهوي؛ تشن، شوفين (18 أكتوبر 2023). "التقدم المحرز في تقنية الطباعة النفاثة للحبر لأغشية البيروفسكايت وتطبيقاتها الكهروضوئية والبصرية" . مجلة ACS Photonics . 10 (10): 3435-3450 . doi : 10.1021/acsphotonics.3c00897 .
  22. ↑ تشاندلر، ديفيد (11 يوليو 2011). "بينما أنت مستيقظ، اطبع لي خلية شمسية" . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . تم الاسترجاع في 4 فبراير 2013 .