هناك العديد من العوامل التي تحد من كفاءة الألواح الشمسية.

الحد الأعلى الأول غير القابل للكسر هو حد الكفاءة الديناميكية الحرارية، والذي يبلغ حوالي 86٪

يأتي هذا من حقيقة أنه في كل مرة تقوم فيها بتحويل الطاقة من مصدر إلى آخر (مثل الفوتونات إلى كهرباء) تفقد بعضها في هذه العملية.

يسمى الحد الثاني القابل للكسر حد Shockley-Queisser، وهو حوالي 30٪.

سأفترض أنك لا تعرف الفيزياء على الإطلاق، وسأحاول إبقائها بسيطة.

الألواح الشمسية مصنوعة من أشباه الموصلات (السيليكون والبيروفسكايت وزرنيخ الغاليوم). كل هذه المواد لديها بعض الطاقات “المسموح بها” للإلكترونات في الداخل.

يمكنك تخيل ذلك كسينما. هناك مجموعة من المقاعد، ويمكن أن يتسع كل مقعد لإلكترون واحد بالضبط. بشكل عام، ترغب الالكترونات في شغل المقاعد بالترتيب (أي من أدنى مستوى طاقة مسموح به إلى أعلى مستوى مسموح به).

لماذا الالواح الشمسية منخفضة الكفاءة ؟

الخاصية الحاسمة لأشباه الموصلات هي أن هناك ” فجوة” بين المقاعد المحتلة وغير المأهولة. من أجل إثارة الإلكترون، يجب اعطاؤه طاقة كافية لشغل مقعد بطاقة أعلى. عندما يحدث هذا،

يمكن جمع الشحنة واستخدامها بشكل فعال.

المشكلة هي: لا يمكن إعطاء الإلكترون طاقة أقل من الفجوة، والتي ببساطة لن يتم امتصاصها.

يأتي الضوء القادم من الشمس بترددات مختلفة، تماما مثل الألوان التي تعرفها. ينتقل من الأشعة تحت الحمراء (الطاقةالمنخفضة) إلى الأحمر والأخضر والأزرق والبنفسجي والأشعة فوق البنفسجية (الطاقة العالية).

تسمى مجموعة التردد الطيف الشمسي، الذي له ذروة حول اللون الأخضر، ويتحلل لترددات أقل وأعلى.

يقول حد شوكلي كويزر: إذا كنت تستخدم خلية واحدة فقط، فلا يمكنك حصاد أكثر من 30٪ من الطاقة الواردة. السبب هو انه ليست كل الفوتونات مفيدة لنا.

بسبب الأسباب المذكورة أعلاه، ستحتاج إلى فوتون بطاقة تساوي أو أعلى من طاقة الفجوة، لذلك يتم إهدار جميع الفوتونات ذات الطاقة الأقل.

و هناك المزيد: من بين جميع الفوتونات ذات الطاقة أعلى من فجوة الطاقة، ستستخدم فقط كمية مساوية لفجوة الطاقة.

يمكن أن يكون المثال الإبداعي على هذا النحو: من أجل الوصول إلى المقاعد العليا، يجب أن يدفع الإلكترون (أنت) رسوما.

سيعطيك الفوتون بعض المال، لكن آلة الرسوم لا تعطي أي تغيير، وتتطلب دولارا واحدا على الأقل. وبالتالي، إذا أعطاك الفوتونأقل من 1 دولار، فلا يمكنك المرور.

إذا كان يمنحك 1 دولار أو 5 دولارات أو 10 دولارات، فلا يهم، لأنه سيتعين عليك دفع الرسوم للوصول إلى المقاعد الأعلى (بغض النظر عن المبلغ الذي تدفعه!) والطاقة التي ستحصل عليها هي نفسها.

يحتوي السيليكون على فجوة طاقة تبلغ 1.2 الكترون فولت (تقريبا) وهي أقل قليلا من اللون الأحمر.

سيتم إهدار معظم الاشعة تحت الحمراء، ولن يتم استخدام معظم الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية بأقصى قدر من الكفاءة.

كيف يمكن كسر هذا الحد؟

ستحتاج إلى تكديس أشباه الموصلات المختلفة (انظر الصورة)، مع فجوات طاقة مختلفة. لكن هذا ليس امرا بسيطاً على الإطلاق، على الرغم من إحراز تقدم في هذا المجال . حيث تستخدم الأقمار الصناعية بالفعل الألواح الشمسية بكفاءة تصل إلى 50٪، ولكنها باهظة الثمن لدرجة أنها لا فائدة منها للتطبيقات التجارية.

رأيي الخاص (وهو بالطبع شخصي تماما) هو أنه مع وضع المزيد من الاستثمارات والاهتمامات في البحث عن الألواح الشمسية الفعالة، فهي مسألة وقت فقط حتى نحقق نسخة تجارية من لوحة ذات كفاءات تصل إلى 40-50٪.

و من المحتمل أن تكون الكفاءة الأعلى شيئا سنستخدمه فقط في أشياء عالية التقنية مثل سفن الفضاء أو الأقمار الصناعية.

أخيرا وليس آخرا، اسمحوا لي أن أشير إلى شيء واحد. عندما يتعلق الأمر بالكفاءة في تحويل الطاقة، يجب أن تفكر دائما فيما يتعلق بالمصدر الأصلي لهذه الطاقة.

على سبيل المثال: لنفترض أن محطة توليد الطاقة بالفحم لديها كفاءة بنسبة 70٪. ماذا يعني ذلك؟

هذا يعني أن 70٪ من الطاقة الموجودة داخل الفحم ستتحول إلى كهرباء. لكن الفحم اصلاً تصنعه النباتات التي استخدمت الطاقة الشمسية في وقت من الأوقات، بكفاءة أقل.

لذلك إذ قارنت الطاقة التي تحصل عليها في النهاية بالطاقة القادمة من الشمس، فمن المحتمل أن تكون النسبة أقل من 1٪.

من هذا المنظور، نستطيع ان نقول ان الألواح الشمسية فعالة بشكل لا يصدق!