خلية كهروضوئية سداسية الطبقة بكفاءة تصل الى 50%

يسجل العلماء في جميع أنحاء العالم بانتظام أرقامًا قياسية جديدة في كفاءة الخلايا الشمسية،وقد طور العلماء في المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة (NREL)  سجل كفاءة التحويل الشمسي لخلية شمسية بكفاءة تقارب 50٪ ، تمتلك الخلية الشمسية ذات الطبقات الستة الرقم القياسي العالمي لأعلى كفاءة تحويل شمسي عند 47.1٪ ، والتي تم قياسها تحت إضاءة مركزة.اعتمد باحثو NREL على مواد والتي هي اشباه موصلات تحت اسم III-V  استنادا إلى موقع هذه المواد على الجدول الدوري ،حيث تم إنشاء الخلية الشمسية ذات الوصلات الست باستخدام ستة أنواع مختلفة من الطبقات النشطة ضوئيًا من هذه المواد (III-V) ، ولكل منها مجموعة واسعة من خصائص امتصاص الضوء و كل طبقة تجمع الطاقة من أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي بشكل مثير للدهشة ، حيث هناك أكثر من 140 طبقة في الخلية الشمسية أرق 3 مرات من شعر الإنسان انها سبيكة  تحتوي على عناصر من المجموعتين III و V في الجدول الدوري كما موضحه بالجدول اعلاه.

تم تصميم كل من طبقات الخلية الست (الطبقات النشطة ضوئيًا) خصيصًا لالتقاط الضوء من جزء معين من الطيف الشمسي  وكما اسلفنا تحتوي الخلية على حوالي 140 طبقة إجمالية من مواد III-V المختلفة لدعم أداء هذه الوصلات و نظرًا لطبيعتها عالية الكفاءة والتكلفة المرتبطة بصنعها ، غالبًا ما تستخدم الخلايا الشمسية III-V لتشغيل الأقمار الصناعية ، والتي يمكن أن تستفيد من أداء مجموعة III-V الذي لا مثيل له.

على الرغم من ذلك ، على الأرض ، فإن الخلية الشمسية المكونة من ستة طبقات مناسبة تمامًا للاستخدام في الخلايا الكهروضوئية المكرزة للضوء وان إحدى الطرق لتقليل التكلفة هي تقليل المساحة المطلوبة ، ويمكنك القيام بذلك باستخدام مرآة لالتقاط الضوء وتركيز الضوء في نقطة معينة مما يوفر كمية المواد مئات او الاف المرات ، مقارنة بخلايا السليكون ذات اللوحة المسطحة حيث يمكنك استخدام مواد شبه موصلة أقل بكثير عن طريق تركيز الضوء من الميزات  الإضافية هي أن الكفاءة تزداد كلما ركزت الضوء.أن العقبة الرئيسية التي تواجه البحث حاليًا لتجاوز كفاءة 50٪ هي تقليل الحواجز المقاومة داخل الخلية التي تعيق تدفق التيار، وفي الوقت نفسه  يشار إلى أن  NREL  تشارك أيضًا بشكل كبير في تقليل تكلفة الخلايا الشمسية III-V ، مما يتيح أسواقًا جديدة لهذه الأجهزة عالية الكفاءة.

فكرة التركيز الضوئي الشمسي

يعتمد إنتاج أنظمة الطاقة الشمسية بشكل كبير على الغطاء السحابي(غائم أو غائم جزئيًا أو واضح ) بينما يمكن استخدام التنبؤ بالطقس للتنبؤ بكمية ضوء الشمس التي تصل إلى مجمعات الطاقة الشمسية الأرضية وهذا لا يوفر معلومات دقيقة لتقدير كمية ضوء الشمس المتاحة لمحطات الطاقة الشمسية.فتم استخدام طريقة جديدة في لتقدير الخصائص الضوئية السحابية باستخدام بيانات من الأقمار الصناعية التي تم إطلاقها مؤخرًا. تُعرف هذه التقنية الجديدة باسم تقدير الخصائص الضوئية السحابية الطيفية ( SCOPE )

في عام 2016 ، بدأت وكالة ناسا في إطلاق جيل جديد من الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية الثابتة ، سلسلة GOES-R. تحتل هذه الأقمار الصناعية مواقع ثابتة فوق سطح الأرض. تم تجهيز كل منها بالعديد من الأدوات المتطورة ، بما في ذلك جهاز التصوير الأساسي المتقدم أو ABI ، والذي يمكنه اكتشاف ارتفاع الإشعاع من الأرض عند أطوال موجية محددة.تقدر طريقة SCOPE ثلاث خصائص للسحب تحدد كمية ضوء الشمس التي تصل إلى سطح الأرض. الأول ، ارتفاع قمة السحابة ، هو الارتفاع المقابل لأعلى كل سحابة. والثاني ، سماكة السحابة ، هو ببساطة الاختلاف في الارتفاع بين قمة السحابة وأسفلها. الخاصية الثالثة هي العمق البصري للسحابة ، وهو مقياس لكيفية تعديل السحابة للضوء الذي يمر عبرها. الغيوم هي في الأساس كتل عائمة من الماء المكثف.يتخذ الماء أشكالًا متعددة مثل قطرات سائلة أو بلورات ثلجية بأحجام مختلفة. تمتص هذه الأشكال المختلفة من الماء الضوء بكميات مختلفة ، مما يؤثر على العمق البصري للسحابة. 

تعتمد كمية الضوء الممتص أيضًا على طول موجة الضوء. الامتصاص متغير بشكل خاص للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء الأوسع من الطيف ولكن ليس كثيرًا للضوء في النطاق المرئي الأضيق.تُقدِّر طريقة SCOPE في الوقت نفسه سمك السحابة والارتفاع الأعلى والعمق البصري من خلال ربط بيانات مستشعر ABI من GOES-R إلى نموذج جوي. يأتي اثنان من المدخلات الأخرى للنموذج من محطات الطقس الأرضية: درجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية في الأرض. يتم استخدامها لضبط الملامح الرأسية لدرجة الحرارة وتركيز الغاز في النموذج.تم تقييم دقة الخصائص البصرية السحابية المقدرة باستخدام سنة واحدة من البيانات من عام 2018 للقياسات المأخوذة في سبعة مواقع أرضية في الولايات المتحدة خلال الليل والنهار ، وفي جميع أنواع الطقس ، ولتغطية مكانية واسعة عند 5- فترات دقيقة. حيث يمكن استخدام النطاق خلال النهار والليل بدقة موثوقة نظرًا لانتاجها عالي التردد أثناء النهار ، فإن SCOPE مناسب بشكل خاص لتوفير تقديرات دقيقة في الوقت الفعلي للخصائص الضوئية السحابية لتطبيقات التنبؤ بالطاقة الشمسية بالتفصيل.