تُعدّ ارتفاع تكاليف الطاقة محركًا رئيسيًا لتطوير مصادر الطاقة الجديدة، مما يجعل تقنيات مثل الخلايا الكهروضوئية لأشباه الموصلات من المجموعة الثالثة والخامسة أكثر تنافسية. وعلى الرغم من تكلفتها التقليدية العالية، فإن الخلايا الشمسية من المجموعة الثالثة والخامسة هي أكثر تقنيات الطاقة الكهروضوئية كفاءة المتاحة حاليًا. تشمل عيوبها الرئيسية تعقيد التصنيع، وتصنيع الأجهزة، والاعتماد على عناصر نادرة نسبيًا مثل الإنديوم (In) والغاليوم (Ga). في المقابل، تنبع مزاياها من هندسة فجوة النطاق المرنة عبر المركبات الثنائية إلى الرباعية، وفجوات النطاق المباشرة التي تتيح معاملات امتصاص عالية، وانبعاث ضوئي عالي الكفاءة. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الكفاءة، تاريخيًا في الفضاء (حيث يكون الوزن والموثوقية في غاية الأهمية) وبشكل متزايد في أنظمة التركيز الأرضية. يركز هذا المستند على جوانب المواد والتصميم لتعظيم الكفاءة.
يوضح هذا القسم المواد الأساسية وتقنيات التصنيع للخلايا الشمسية من المجموعة الثالثة والخامسة.
أشباه الموصلات III-V هي مركبات من عناصر المجموعة الثالثة (B, Al, Ga, In) والمجموعة الخامسة (N, P, As, Sb). يوضح الشكل 1 (الموضح لاحقًا) مركبات رئيسية مثل GaAs و InP و GaInP و GaInAsP من خلال ثابت الشبكة وفجوة النطاق الخاصة بها. يُعد GaAs و InP ركائز شائعة، حيث تقترب فجوات النطاق الخاصة بهما من المثالية لتحويل الطاقة الشمسية. يعد النمو المطابق للشبكة على هذه الركائز أمرًا بالغ الأهمية لتجنب العيوب الناجمة عن الإجهاد التي تؤدي إلى تدهور الأداء.
يعد ترسيب الأبخرة العضوية المعدنية (MOVPE) والترسيب الشعاعي الجزيئي (MBE) التقنيتين الأساسيتين لنمو هياكل III-V متعددة الطبقات عالية الجودة. تتيح هذه الطرق تحكمًا دقيقًا في التركيب والتطعيم وسُمك الطبقة على المستوى الذري، وهو أمر أساسي لتصميمات الوصلات المتعددة المعقدة.
يؤدي نمو مواد ذات ثوابت شبكية مختلفة (مثل زراعة GaAs على Si) إلى إدخال إجهاد. تُستخدم تقنيات مثل الطبقات العازلة المتدرجة أو النمو التحولي لإدارة هذا الإجهاد، مما يتيح نطاقًا أوسع من تركيبات المواد لتحقيق الاقتران الأميم لفجوة النطاق في الخلايا متعددة الوصلات، وإن كان ذلك يزيد من التعقيد.
يوضح هذا القسم المبادئ الفيزيائية التي تحكم تشغيل الخلايا الشمسية وكفاءتها.
Photons with energy above the bandgap ($E > E_g$) create electron-hole pairs. Excess energy is typically lost as heat ($\Delta E = h\nu - E_g$), a fundamental loss mechanism. Minimizing this thermalization loss is a key motivation for multi-junction cells.
يتم تشويب مناطق الباعث والقاعدة بشدة لإنشاء مجال كهربائي. في هذه المناطق شبه المتعادلة، العمليات الرئيسية هي انتشار الحاملات وإعادة التركيب. تعد فترات حياة حاملات الأقلية الطويلة وأطوال الانتشار الحرجة لجمع الحاملات المولدة قبل أن تعيد التركيب.
منطقة الاستنزاف عند وصلة p-n هي المكان الذي يفصل فيه المجال الكهربائي الداخلي أزواج الإلكترون-الثقب الناتجة ضوئيًا. يتم التحكم في عرضها بمستويات التشويب وتؤثر على كفاءة جمع الحاملات.
في مواد الفجوة المباشرة مثل معظم مواد III-V، يكون إعادة التركيب الإشعاعي (عكس الامتصاص) كبيرًا. تحت إضاءة عالية (مثل التركيز)، يمكن أن يؤدي ذلك إلى إعادة تدوير الفوتونات، حيث يتم إعادة امتصاص الفوتونات المُعاد إصدارها، مما قد يعزز الجهد — وهي ميزة فريدة لمواد III-V عالية الجودة.
تشكل معادلة الصمام الثنائي المثالية، المعدلة للتيار الضوئي، الأساس: $J = J_0[\exp(qV/nkT)-1] - J_{ph}$، حيث $J_{ph}$ هي كثافة التيار الضوئي، و $J_0$ هي تيار التشبع في الظلام، و $n$ هو عامل المثالية. الهدف هو تقليل $J_0$ (من خلال جودة المواد العالية) وتعظيم $J_{ph}$ (من خلال الامتصاص الجيد والتجميع).
بالنسبة للوصلة المفردة، فإن الكفاءة النظرية القصوى (حد Shockley-Queisser) تبلغ حوالي 33-34% تحت ضوء الشمس المركز. تقترب خلايا GaAs، ذات فجوة النطاق البالغة ~1.42 إلكترون فولت، من هذا الحد بشكل كبير، مما يوضح تميز مواد III-V لأجهزة الوصلة المفردة.
تسمح الخصائص المادية المتفوقة (فجوة نطاق مباشرة، امتصاص عالي، تيار تشبع منخفض $J_0$) لخلايا III-V ذات الوصل المفرد بالعمل بالقرب من حدودها الديناميكية الحرارية. تحقيق مكاسب كفاءة كبيرة إضافية يتطلب تجاوز فجوة نطاق واحدة.
ترتيب الوصلات ذات الفجوات النطاقية المختلفة هو الطريق المُثبت لتجاوز حدود الوصلة المفردة.
مع عدد لا نهائي من فجوات النطاق المتطابقة تمامًا، يتجاوز الحد النظري للكفاءة تحت التركيز 85%. تمتلك الخلايا العملية ذات 3-4 تقاطعات حدودًا نظرية في نطاق 50-60%.
التحدي الرئيسي هو إيجاد مواد ذات فجوات نطاق مرغوبة تكون أيضًا متطابقة الشبكة البلورية (أو يمكن زراعتها بشكل تحولي) وتمتلك خصائص إلكترونية جيدة. البحث عن الخلايا "الوسطى" المثلى ذات 1.0-1.2 إلكترون فولت لا يزال مستمرًا.
مثال كلاسيكي هو خلية التقاطع الثلاثي متطابقة الشبكة GaInP/GaAs/Ge. يمتص GaInP (~1.85 إلكترون فولت) الفوتونات عالية الطاقة، ويمتص GaAs (~1.42 إلكترون فولت) الطيف الأوسط، ويعمل Ge (~0.67 إلكترون فولت) كخلية قاع منخفضة الفجوة النطاقية. التطابق الحالي بين الوصلات أمر بالغ الأهمية.
حققت خلايا التقاطع الثلاثي المقلوبة التحولية (IMM) المتطورة، باستخدام تركيبات مثل GaInP/GaAs/GaInAs، كفاءات معتمدة تزيد عن 47% تحت ضوء الشمس المركز (سجلات المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)). وهذا يوضح قوة هندسة فجوة النطاق التي تتجاوز قيود الشبكة البلورية.
تُعدّ البنية متعددة الوصلات البطل الذي لا يُنازع في تحقيق ذروة الكفاءة الكهروضوئية. وتتميز مواد III-V بملاءمتها الفريدة لهذا الغرض نظرًا لقابلية ضبط فجوة النطاق وجودة المواد العالية، وإن كان ذلك بتكلفة مرتفعة.
تقدم الهياكل النانوية (الأبار الكمومية، النقاط الكمومية، الأسلاك الكمومية) مسارًا مستقبليًا محتملاً لهندسة فجوة النطاق المتقدمة داخل نظام مادي واحد أو لإنشاء خلايا شمسية ذات نطاق وسيط. ومع ذلك، فإن التحديات في استخراج حاملات الشحنة وزيادة إعادة التركيب المرتبطة بالعيوب تحد حاليًا من كفاءتها العملية مقارنة بتصميمات الوصلات المتعددة السائبة الناضجة.
تمثل خلايا III-V الشمسية قمة كفاءة التحويل الضوئي، مدفوعة بخصائص مواد استثنائية وهندسة فجوة نطاق متطورة. يقتصر ارتفاع تكلفتها على أسواق متخصصة (الفضاء، الخلايا الكهروضوئية المركزة) والأبحاث الأساسية. يعتمد التقدم المستقبلي على استراتيجيات خفض التكاليف واستكشاف مفاهيم جديدة مثل الهياكل النانوية.
الفكرة الأساسية: يمثل قطاع الخلايا الكهروضوئية من المواد III-V حالة كلاسيكية لتكنولوجيا محصورة في مكانة "عالية الأداء، عالية التكلفة". تطوره يعكس قطاعات متخصصة مثل الحوسبة عالية الأداء، حيث تبرر الكفاءة القصوى اقتصادياتها المتميزة، لكن الانتشار في السوق الشامل يظل بعيد المنال. الفرضية المركزية لهذه الورقة - أن التفوق المادي يمكن من تحقيق كفاءات قياسية - صحيحة لكنها غير مكتملة دون تحليل صارم للتكلفة والعائد مقابل عملاق السليكون.
التسلسل المنطقي: يبني المستند بشكل صحيح من الأساسيات المادية (فجوة النطاق، ثابت الشبكة) إلى فيزياء الأجهزة (إعادة التركيب، الوصلات) وأخيراً إلى بنية مستوى النظام (تركيبات متعددة الوصلات). هذا منهج هندسي سليم. ومع ذلك، يعامل التكلفة كحاشية ثانوية بدلاً من كونها الحاجز الرئيسي للاعتماد. سيكون التسلسل الأكثر نقداً كالتالي: 1) ما هي الكفاءة الممكنة فيزيائياً؟ 2) كم تكلفة تحقيق ذلك؟ 3) أين يتقاطع منحنى التكلفة والأداء هذا مع طلب السوق؟ تتفوق الورقة في النقطة #1، تلمح إلى #2، وتتجاهل #3.
Strengths & Flaws: تكمن قوة الورقة البحثية في عرضها الموثوق والمفصل لـ "الكيفية" وراء أرقام كفاءة III-V، مع الإشارة إلى مفاهيم أساسية مثل حد Shockley-Queisser وإعادة تدوير الفوتونات. أما ضعفها فهو افتقارها إلى السياق التجاري. على سبيل المثال، بينما تناقش "العناصر النسبية الندرة (In, Ga)"، فإنها لا تقوم بتحديد كمي لمخاطر سلسلة التوريد أو تقلبات الأسعار، وهي أمور حاسمة للمستثمرين. قارن ذلك مع تركيز صناعة الخلايا الكهروضوئية السيليكونية الدؤوب على مقاييس $/Watt، كما هو موثق في التقارير السنوية لمؤسسات مثل International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV). مفاهيم التصميم في الورقة البحثية خالدة، لكن تحليلها السوقي قديم، حيث يقلل من شأن الارتفاع السريع الحديث والانهيار في تكاليف الخلايا التكديسية البيروفسكايت-سيليكون، والتي تهدد الآن بتحقيق كفاءات مماثلة بجزء بسيط من تكلفة III-V، كما أفادت مجموعات بحثية في Oxford PV وKAUST.
رؤى قابلة للتطبيق: بالنسبة لأصحاب المصلحة في الصناعة، فإن الطريق إلى الأمام لا يقتصر فقط على تحسين عملية التبلور النمو. أولاً، التحول نحو النماذج الهجينة. قد لا يكون مستقبل أشباه الموصلات من فئة III-V كألواح قائمة بذاتها، بل كخلايا علوية فائقة الكفاءة في أنظمة تاندم مكدسة ميكانيكياً أو موصولة بروابط وفرية مع السيليكون أو البيروفسكايت، مستفيدةً من أداء III-V وركيزة التكنولوجيا الشريكة منخفضة التكلفة. ثانياً، اعتماد تصنيع تحويلي. يجب إعطاء الأولوية للأبحاث حول نمو الرقائق المباشر، وتقشير الرقائق لإعادة استخدام الركائز (كما طورته شركات مثل Alta Devices)، وتقنية MOVPE عالية الإنتاجية. ثالثاً، استهدف الأسواق غير المتناظرة. بدلاً من السعي وراء الخلايا الكهروضوئية الأرضية العامة، ركز على التطبيقات حيث تترجم الكفاءة مباشرة إلى توفيرات هائلة على مستوى النظام: الفضاء (حيث كل جرام له قيمته)، والمركبات الجوية غير المأهولة (UAVs)، والمنشآت ذات القيود الشديدة على المساحة. يقدم التحليل في هذه الورقة البحثية المخطط الفني؛ ويجب على الصناعة الآن تنفيذ ابتكار نموذج العمل ليتناسب مع ذلك.
تحكم الكفاءة الأساسية ($\eta$) للخلية الشمسية في التوازن بين توليد الضوء وفقدان إعادة التركيب:
مفتاح تحقيق جهد دائرة مفتوحة $V_{oc}$ مرتفع هو تقليل تيار التشبع في الظلام $J_0$ إلى الحد الأدنى:
بالنسبة لخلية متعددة الوصلات ذات $m$ وصلة، يكون التيار الكلي محدودًا بأصغر تيار ضوئي ($J_{ph, min}$) في التركيب المتصل على التوالي:
وصف الشكل 1 (بناءً على النص): يرسم المخطط الأساسي فجوة النطاق (إلكترون فولت) مقابل ثابت الشبكة (أنغستروم) لأشباه الموصلات الرئيسية من فئة III-V (مثل GaAs، InP، GaP، InAs، AlAs) وسبائكها الثلاثية/الرباعية (مثل GaInAsP) في درجة حرارة الغرفة (300 كلفن). يمثل الشريط الأفقي المظلل نطاق فجوات النطاق القابلة للضبط لتركيبات GaInAsP. تم تحديد مواقع الركائز الشائعة (Si، GaAs، InP). بشكل حاسم، يعرض المحور الأيمن طيف الشمس الأرضي (AM1.5)، موضحًا تدفق الفوتونات أو كثافة القدرة مقابل طاقة الفوتون. تُظهر هذه الصورة بوضوح كيف تتماشى فجوات النطاق للمركبات الأساسية من فئة III-V (مثل ~1.42 إلكترون فولت لـ GaAs، ~1.34 إلكترون فولت لـ InP) مع ذروة القدرة الطيفية، في حين يمكن هندسة عائلة السبائك لتغطية الطيف المفيد بالكامل تقريبًا من ~0.7 إلى ~2.2 إلكترون فولت، مما يتيح تصميمًا مثاليًا للوصلات المتعددة.
المصدر: National Renewable Energy Laboratory (NREL) Best Research-Cell Efficiency Chart.
حالة: تقييم مادة خلية وسطى جديدة لمكدس رباعي الوصلات
خطوات الإطار:
يتجاوز هذا الإطار اختيار فجوة النطاق البسيطة إلى تقييم شامل للجودة البصرية الإلكترونية وجدوى التكامل.