ثنائيات تجاوز مدمجة داخل الخلايا لوحدات ضوئية سيليكونية عالية الكفاءة ومقاومة للتظليل

ألواح شمسية أكثر أمانًا لأسطح المنازل اليومية

من المتوقع أن تولد ألواح السقف الشمسية الكهرباء بهدوء لعقود، لكن في الواقع تتغطى بالأوراق، والثلج، والمداخن، والمباني القريبة. حتى بقع الظل الصغيرة يمكن أن تسلب اللوح طاقته، وأكثر إزعاجًا، يمكن أن تخلق نقاطًا ساخنة خطيرة قد تتلف الأجهزة. تستعرض هذه المقالة نوعًا جديدًا من خلايا السيليكون الشمسية التي تبني ميزة أمان داخل كل خلية، مما يجعل الألواح الشمسية أكثر كفاءة وأكثر تحملًا للتظليل اليومي.

لماذا يشكل الظل مشكلة كبيرة

اللوح الشمسي ليس جهازًا واحدًا بل سلسلة من العديد من الخلايا المتصلة معًا. عندما تُظلل خلية واحدة، ينخفض تيارها الكهربائي، بينما تستمر الخلايا المضاءة الأخرى بدفع التيار عبرها. تُجبر الخلية المظللة عندئذٍ على حالة كهربائية تُسمى الانحياز العكسي، حيث تتوقف عن العمل كمصدر للطاقة وتبدأ بامتصاصها. قد يؤدي ذلك إلى ارتفاع حرارة شديد في مناطق صغيرة من الخلية، تُعرف بالنقاط الساخنة، التي تهدر الطاقة وقد تتسبب في تلف أو حتى اشتعال أجزاء من الوحدة في الحالات القصوى. الحماية التقليدية تستخدم أجزاء إلكترونية إضافية تسمى ثنائيات التجاوز موصولة حول مجموعات من الخلايا، لكن تركيب ثنائي لكل خلية سيكون ضخمًا ومكلفًا، وتغطية العديد من الخلايا بثنائي واحد توفر حماية جزئية فقط.

تحويل كل خلية إلى صمام أمان خاص بها

يقترح المؤلفون إعادة تصميم ذكية لخلايا السيليكون ذات الاتصالات الخلفية بحيث تتضمن كل خلية سلوك "تجاوز" مدمجًا دون إضافة مكونات منفصلة. بدلًا من الاعتماد على ثنائي خارجي واحد لإنقاذ العديد من الخلايا، يقومون بتهيئة الطبقات على الجانب الخلفي للخلية لخلق قنوات توصيل عكسي صغيرة عديدة موزعة على السطح. تظل هذه القنوات عمليًا مغلقة أثناء التشغيل العادي، محافظًة على كفاءة عالية، لكنها تفتح عندما تُدفع الخلية إلى الانحياز العكسي بسبب التظليل. فعليًا، تكتسب الخلية صمام أمان داخليًا يوفر تلقائيًا مسارًا لتيار يمر حول المناطق المظللة قبل أن تتطور جهود كهربائية ونقاط ساخنة خطرة.

كيف تعمل القنوات المخفية داخل الخلية

في قلب التصميم يوجد تركيب دقيق من المواد مكدّسة على ظهر شريحة السيليكون. الخلايا ذات الاتصالات الخلفية تضع بالفعل قطبًا موجبًا وسالبًا جنبًا إلى جنب في الخلف، مفصولين بفجوات ضيقة. يستفيد الفريق من حواف هذه الفجوات لإدخال طبقات رقيقة متداخلة تفضّل الالكترونات في جزء والفراغات (الثقوب) في جزء آخر. تحت الانحياز العكسي، تتجه الالكترونات الداخلة إلى الخلية المظللة عبر السيليكون وتُوجَّه نحو هذه مناطق التداخل، حيث يسمح مشهد الطاقة لها "بالنفق" عبر الطبقات لتظهر من جديد كتيار يمكن تصريفه بأمان. وبما أن هذه التراكيب تتكرر مئات المرات عبر ظهر الخلية، فإن التيار العكسي ينتشر بدلًا من أن يتركز في نقطة ضعف واحدة. تُظهر المحاكاة والقياسات أن هذه القنوات المصممة تتصرف مثل العديد من الثنائيات الدقيقة المضبوطة مدمجة مباشرة داخل الخلية.

الحفاظ على أداء عالٍ في ضوء الشمس اليومي

أي مسار إضافي للتيار قد يتحول إلى تسريب يهدر الطاقة عندما تعمل الخلية بشكل طبيعي. إنجاز رئيسي في هذا العمل هو تصميم الطبقات المكدّسة بحيث تنقل تيارًا كبيرًا فقط عندما تُدفع الخلية إلى الانحياز العكسي، لكنها تساهم القليل جدًا عندما تعمل الخلية باتجاهها الأمامي المعتاد. يحلل الفريق كيف تنتقل الالكترونات والثقوب عبر التراكيب في كلتا الحالتين ويعدّل السماكات وخصائص المواد بحيث يتراجع تأثير النفق تدريجيًا مع ارتفاع الجهد الأمامي نحو نقطة عمل الخلية. نتيجة لذلك، تصل الأجهزة النموذجية ذات البنية الجديدة إلى كفاءة تحويل طاقة معتمدة تبلغ 27.49%، بما يوازي أفضل خلايا السيليكون ذات الاتصالات الخلفية، مع توفير توصيل عكسي قوي عند الحاجة.

ألواح أبرد وأكثر استقرارًا في ظروف واقعية

لاختبار ما إذا كان هذا التصميم المجهري يحدث فرقًا في العالم الحقيقي، بنى الباحثون وحدات شمسية كاملة باستخدام خلاياهم الجديدة وقارنوها مع وحدات تقليدية تحت اختبارات تظليل قاسية. عندما تعرضت عدة خلايا لتظليل شديد، طورت الوحدات التقليدية مناطق ساخنة ارتفعت سريعًا إلى نحو 190 درجة مئوية. بالمقابل، استقرت الوحدات الجديدة قرب 90 درجة، مع توزيع أكبر للحرارة وعدد أقل بكثير من البقع المتضررة بشكل دائم. في اختبارات حيث ظل جزء من خلية واحدة فقط مظللًا، فقدت الوحدات التقليدية تقريبًا نصف إنتاجها من الطاقة، رغم وجود ثنائيات تجاوز خارجية. أما الوحدات التي تستخدم الخلايا الجديدة فشهدت انخفاضات متواضعة فقط في الطاقة، مما يُظهر أن القنوات المدمجة تساعد في الحفاظ على تدفق الكهرباء بسلاسة أكبر رغم الإضاءة غير المتكافئة.

خطوة نحو طاقة شمسية أذكى وأكثر صلابة

يُظهر هذا العمل أن الحماية من التظليل لا يجب أن تأتي من أسلاك ومكونات إضافية خارج الخلية. من خلال نسيج سلوك التجاوز في بنية الخلية نفسها، يبتكر المؤلفون وحدات شمسية عالية الكفاءة وأكثر تحملًا لظلال الحياة اليومية، مع إمكانية خفض التكلفة والتعقيد. مع انتشار الطاقة الشمسية على الأسطح المأهولة والمدن المليئة بالعوائق والضوء المتغير، قد تجعل هذه الخلايا القابلة للحماية الذاتية والمقاومة للتظليل أنظمة الطاقة الشمسية أكثر أمانًا وأطول عمرًا وأكثر موثوقية لأصحاب المنازل ومزودي الخدمات على حد سواء.

الاستشهاد: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

الكلمات المفتاحية: خلايا شمسية, تظليل جزئي, سيليكون ذو جهة اتصال خلفية, ثنائي تجاوز, وحدات كهروضوئية