فصل خلايا السيليكون من وحدات الطاقة الشمسية الزجاجية ثنائية الوجه في نهاية العمر باستخدام ليزرات مستمرة

لماذا لا تزال الألواح الشمسية القديمة مهمة

تنتشر الطاقة الشمسية على الأسطح وفي الصحارى حول العالم، لكن تلك الألواح اللامعة لا تدوم إلى الأبد. مع وصول أجيال أولى من محطات الطاقة الشمسية إلى سن التقاعد، سيحتاج ملايين الأطنان من الألواح المنتهية العمر إلى معالجة آمنة. إذا دُفنت أو أُحرقت، فقد تتسرّب مواد سامة وتضيع معادن ثمينة وسيليكون عالي النقاء. تستكشف هذه الدراسة طريقة أنظف لتفكيك نوع أحدث من الألواح، يُسمى الوحدة الزجاجية ثنائية الوجه، باستخدام ضوء ليزر مضبوط بعناية بحيث يمكن استرداد المكونات الرئيسية وإعادة استخدامها بدلاً من رميها.

ما الذي يميز هذه الألواح الشمسية

تجمع الألواح التقليدية الضوء من جهة واحدة وعادةً ما يكون لها غلاف بلاستيكي خلفي. بالمقابل، تصنع الوحدات ثنائية الوجه من الزجاج على كلا الجانبين ويمكنها جمع الضوء من الأمام والخلف، مما يزيد من إنتاجية الكهرباء. محشورة بين طبقات الزجاج خلايا رقيقة من السيليكون مثبتة بواسطة بلاستيك شفاف يُدعى EVA، إضافة إلى طبقات مضادة للانعكاس الحساسة التي تساعد الخلايا على التقاط الضوء بكفاءة أكبر. يزيد هذا الزجاج الإضافي والطلاء من تكاليف التصنيع لكنه يخفض تكلفة كل كيلوواط ساعة على مدار عمر اللوح. ومع ازدياد حصة التصاميم ثنائية الوجه في السوق بسرعة، أصبح من الملح إيجاد طريقة آمنة وفعالة لتفكيك هذه التركيبات الأكثر تعقيدًا عند نهاية عمرها.

لماذا طرق إعادة التدوير الحالية غير كافية

اليوم يعتمد معيدو التدوير بشكل أساسي على ثلاث طرق لفصل الطبقات داخل الألواح. الطرق الحرارية تسخّن الألواح حتى يتحلل EVA، وهذه الطريقة تنجح لكنها تستهلك طاقة كبيرة وقد تنبعث منها أبخرة ضارة تتطلب معالجة إضافية. الطرق الكيميائية تنقع الألواح في مذيبات عضوية تذيب أو تُورّم EVA؛ هذه الطرق بطيئة وتحتاج كميات كبيرة من مواد كيميائية مكلفة وتنتج نفايات سائلة ملوَّثة. الطرق الفيزيائية تطحن الألواح ثم تفصل القطع حسب الحجم أو الشحنة أو الكثافة، ما يخلط المواد معًا ويجعل من الصعب استعادة منتجات نقية وذات قيمة عالية مثل خلايا السيليكون السليمة. لا تناسب أي من هذه المقاربات وحدات ثنائية الزجاج بشكل مثالي، إذ يصعب تفكيكها نظيفًا.

استخدام ضوء الليزر كأداة دقيقة

طور الباحثون استراتيجية مختلفة: تسليط ليزر مستمر قوي لكن مضبوط بعناية عبر الزجاج وطبقة EVA بحيث يمتصه السيليكون في المقام الأول. وبما أن اللوح لا يكون موصولًا بأسلاك أثناء المعالجة، يتحول ضوء الليزر الممتص إلى حرارة مباشرة عند سطح الخلية. عبر تعديل قوة الليزر وتردده وزمن التشغيل المتقطع، رفع الفريق درجة الحرارة المحلية بما يكفي لإضعاف الروابط دون حرق البلاستيك أو توليد دخان. تحت إعدادات مثالية (قدرة 1200 واط، تردد 2000 هرتز، دورة تشغيل 5%)، يقوم الليزر بتمزيق طبقة الطلاء المضاد للانعكاس الرقيقة ويعدّل قليلاً طبقة رقيقة جدًا من EVA المتصلة بالخلية. يزيل هذا التأثير المزدوج نقاط التماسك حيث يلتصق EVA بالسيليكون مع إبقاء الجزء الأكبر من البلاستيك والزجاج سليمًا.

ما الذي يحدث داخل اللوح

أظهرت صور الميكروسكوب وقياسات كيمياء السطح أنه على الجانب المعرض لليزر، تتدهور تدريجيًا طبقة الطلاء المضاد للانعكاس المصنوعة من نيتريد السيليكون وتتحول جزئيًا إلى أكسيد السيليكون. مع زوال هذه الطبقة، تنخفض القوة المطلوبة لتقشير EVA بعيدًا عن الخلايا إلى مستوى قريب من الصفر. في الوقت نفسه، كشفت اختبارات على EVA أن طبقة بينية صغيرة فقط هي المتأثرة: تنكسر بعض الروابط الكيميائية وتُطلق جزيئات صغيرة مثل حمض الخل، مما يخفض الالتصاق مؤقتًا، لكن الشبكة الرئيسية للبوليمر تظل سليمة. عمليًا، عندما يُفتح اللوح المعالج، يرفع الزجاج وEVA في جانب الليزر نظيفًا، تاركين تقريبًا لا بقايا على خلايا السيليكون، التي تبقى في الغالب ملتصقة بطبقة EVA المقابلة غير المعالجة كقطع سليمة بدلًا من أن تكون شظايا متكسرة.

إعادة تدوير أكثر خضرة وإمكانات للتوسع

لفهم التأثير الأوسع، قارن المؤلفون نهجهم بالليزر مع مخططات إعادة التدوير الكيميائية والحرارية‑الميكانيكية السابقة باستخدام تقييم دورة الحياة. لمعالجة نفس كتلة المادة في إعداد مخبري، تجنَّب أسلوب الليزر استخدام المذيبات والأفران ذات الحرارة العالية، مما خفض استخدام الوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات المرتبطة بتغير المناخ وتلوث الهواء والسمّية. ولأن العملية سريعة ويمكن أتمتتها بتحريك رأس مسح فوق وحدات كبيرة، فيمكن توسيعها لخطوط صناعية. المقايضة هي استثمار إضافي في معدات الليزر وحقيقة أن الطريقة تعمل فقط حيث تتواجد خلايا السيليكون. بشكل عام، تظهر الدراسة أن الاستخدام الذكي للضوء يمكن أن يحول الألواح الشمسية ثنائية الوجه القديمة إلى مصدر أنظف للسيليكون والزجاج القابلين لإعادة الاستخدام، مما يساعد على بقاء الطاقة الشمسية مستدامة من التركيب حتى التقاعد.

الاستشهاد: Zhang, C., Zhao, Z., Wang, R. et al. Separate silicon cells from end-of-life bifacial glass photovoltaic modules using continuous lasers. Sci Rep 16, 4986 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35277-z

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير الألواح الشمسية, الطاقة الكهروضوئية ثنائية الوجه, معالجة بالليزر, استعادة خلايا السيليكون, النفايات الإلكترونية