المجلس الوطني الإيطالي للبحوث يطلق بلاطة كهروضوئية ثنائية الوجه بتقنية تقسيم الطيف رباعية الأطراف

أخبار ar.wedoany.com، عرض فريق بحثي من المجلس الوطني الإيطالي للبحوث (CNR) بلاطة كهروضوئية رباعية الأطراف (4T)، يعتمد تصميمها على تقنية تقسيم الطيف الشمسي لفصل أطياف الشمس حسب النطاقات: حيث يُوجَّه الضوء المرئي إلى خلية زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، بينما يصل الإشعاع تحت الأحمر إلى خلية سيليكون ثنائية الوجه، لتؤدي كل فئة من الخلايا وظيفتها على النحو الأمثل.

يتمثل العنصر الأساسي لهذا النظام على المستوى البصري في منشور زجاجي قائم الزاوية على شكل إسفين. وأوضحت فلوريانا مورابيتو، المؤلفة الأولى للورقة البحثية، لمجلة بي في ماغازين أن النواة البصرية تجمع بين الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) على السطح العلوي والانعكاس ثنائي اللون على المرايا، بما يؤدي وظيفة دليل ضوئي. وأضافت سيلفيا ماريا بيترالونغا، المؤلفة المراسلة، أن الخلية السيليكونية ثنائية الوجه ضيقة النطاق (NBG) في هذا التصميم موجهة بوجهها الخلفي نحو الجنوب، مما يسهل جمع إشعاع البياض القادم من الأرض؛ أما خلية زرنيخيد الغاليوم واسعة النطاق (WBG) فموضوعة بزاوية 90 درجة، مما يخفض كلًا من المساحة المشغولة والتظليل الذاتي للمكوّنات إلى مستويات منخفضة.

نُشرت النتائج في دورية سولار إنيرجي (Solar Energy) تحت عنوان "التحقق التجريبي والتقييم العددي لبلاطة كهروضوئية بتقنية تقسيم الطيف رباعية الأطراف (4T) مع قدرة ثنائية الوجه غير تقليدية وتظليل مُصغَّر". وقد بُني النموذج الأولي حول منشور إسفيني قائم الزاوية مصنوع من زجاج N-BK7 من شركة شوت (Schott)، وضمّ خلية زرنيخيد غاليوم بأبعاد 2.0 سم × 2.0 سم وكفاءة 20%، بالإضافة إلى خلية سيليكونية ثنائية الوجه من نوع غير المتجانسة (HJT) بأبعاد 6.8 سم × 2.0 سم وكفاءة تبلغ حوالي 24% ونسبة ثنائية الوجه 90%؛ كما غُطيت القاعدة والسطح الخلفي للمنشور بطبقات مضادة للانعكاس.

يتولى تقسيم الطيف مرآتان ثنائيتا اللون، إحداهما تمرير طويل والأخرى تمرير قصير، تكمل كل منهما الأخرى. وقد وُضعت المرآتان بزاوية سقوط مقدارها 45 درجة، مع طول موجة قطع عند 805 نانومتر، وهي القيمة التي تقع عند نقطة تقاطع منحنيات الكفاءة الكمية الخارجية لكل من خلية السيليكون وخلية زرنيخيد الغاليوم، مما يتيح توجيه كل جزء من الطيف إلى الخلية المستهدفة.

استخدم الباحثون الطباعة ثلاثية الأبعاد بالراتنج لصنع حامل من قطعتين، يجمع بين المنشور والمرايا وخلية السيليكون وخلية زرنيخيد الغاليوم المغلفة. ونظرًا لصعوبة تجنّب الفجوات الهوائية بين المنشور والمرايا والخلايا، فإن النموذج الأولي المُجمَّع فعليًا ينحرف عن التصميم البصري المثالي، بما يظهر في صورة خسائر بصرية إضافية.

أُجريت اختبارات الأداء الخارجية في مختبر CNR-IMM في كاتانيا بإيطاليا، في موقع عبارة عن شرفة أرضيتها من السيراميك. واتبعت القياسات مبادئ معيار IEC 60904-2 بشكل أساسي، لكن الفريق أشار إلى أن البنية رباعية الأطراف (4T) تختلف عن الألواح التقليدية، مما يجعل الامتثال الكامل للمعيار غير ممكن. ونُفذت التجارب في أربعة أيام مشمسة بين أواخر مايو ومنتصف يوليو 2025، مع نافذة رصد من الساعة 9 صباحًا حتى 5 مساءً. وسجّلت ثلاثة أجهزة بيرانومتر على فترات زمنية مقدارها 5 ثوانٍ: الإشعاع الأفقي الكلي، وإشعاع الواجهة الأمامية المائلة، والإشعاع الانعكاسي الواصل إلى الواجهة الخلفية؛ كما استُخدم مقياسا طيف إشعاعي لقياس الإشعاع الطيفي الأفقي الكلي والإشعاع الطيفي المباشر العمودي ضمن نطاق طول موجة من 300 نانومتر إلى 1100 نانومتر.

كما قارن الباحثون البيانات المقاسة من النموذج الأولي بنتائج المحاكاة في الظروف المثالية. ففي حين يحافظ الجهاز المثالي على نسبة قدرة ضوئية تتجاوز 90% على مدى واسع من زوايا السقوط، بلغت النسبة القصوى للنموذج الأولي المُصنَّع حوالي 62% فقط. وفي القياسات الخارجية، ظل التيار المعياري لخلية السيليكون مستقرًا إلى حد كبير على مدار اليوم، مع بلوغ الذروة حول وقت الظهيرة الشمسية، وارتفاع طفيف عندما تكون البلاطة أقرب إلى الأرض؛ أما خلية زرنيخيد الغاليوم فلم تكن حساسة لارتفاع البلاطة عن الأرض، لكن نظرًا لتفاوت زاوية التسامح الأضيق، كان تذبذب الإخراج أكبر على مدار اليوم، مع بلوغ الذروة أيضًا حول وقت الظهيرة.

وقالت مورابيتو إنه في الظروف الخارجية، وبالنسبة لخلية سيليكون ثنائية الوجه بكفاءة 23%، لوحظ تحسن واضح في التيار الضوئي المقاس بنحو 7% في ساعات الصباح والمساء حول الانقلاب الصيفي عند خط عرض 37°30' شمالًا. ولا يتغير الحد الأقصى للتيار الضوئي مع تغير الارتفاع عن الأرض، ويتوافق أفضل كسب للتشغيل ثنائي الوجه مع ارتفاع 19 سم عن الأرض. وتشير نتائج الاختبارات إلى استنتاج مفاده: أن البنية رباعية الأطراف (4T) قادرة على تقليل التظليل الذاتي مع الاستفادة بشكل أكمل من الإشعاع المنعكس عن الأرض، ويكون العائد من التشغيل ثنائي الوجه أكبر عند ارتفاعات التركيب المنخفضة نسبيًا.

وأوضحت بيترالونغا أنه من منظور عالمي، قد يتمتع هذا الحل رباعي الأطراف (4T) بالاستدامة الاقتصادية — إذ يحقق إنتاجًا أعلى لكل وحدة مساحة، مع استخدام دعامات ميكانيكية من النوع منخفض التأثير. وأعربت عن اعتقادها بأن آفاق حل التحديات الحالية واعدة، وأن ثمة مجالًا واسعًا للتحسين، مما قد يفتح فرصًا سوقية مجدية في المستقبل القريب.