ليزر الفيمتو ثانية يحل مشكلة إعادة تدوير الألواح الشمسية

تم تصميم الألواح الشمسية لتدوم 25 عامًا أو أكثر في جميع أنواع الطقس. مفتاح طول العمر هذا هو الختم المحكم للمواد الكهروضوئية. يحقق المصنعون الختم عن طريق تصفيح خلايا السيليكون للوحة بألواح بوليمر بين الألواح الزجاجية. لكن من الصعب فصل البوليمر اللزج عن خلايا السيليكون في نهاية عمر اللوحة الشمسية، مما يجعل إعادة تدوير المواد أكثر صعوبة.

يقول الباحثون في المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة (NREL) في جولدن، كولورادو، إنهم وجدوا طريقة أفضل لإغلاق الوحدات الشمسية. وباستخدام ليزر الفيمتو ثانية، قام الباحثون بلحام زجاج الألواح الشمسية معًا دون استخدام البوليمرات مثل أسيتات فينيل الإيثيلين. يقول الباحثون إن هذه اللحامات الدقيقة من الزجاج إلى الزجاج قوية بما يكفي للألواح الشمسية الخارجية، وهي أفضل في منع الرطوبة المسببة للتآكل.

يقوم ليزر الفيمتو ثانية بلحام قطعة صغيرة من زجاج الاختبار.المختبر الوطني

يقول ديفيد يونج، أحد كبار العلماء في المختبر الوطني للطاقة المتجددة: “لا يمكن إعادة تدوير الألواح الشمسية بسهولة”. “هناك شركات تقوم بذلك الآن، لكنها لعبة صعبة بين التكلفة والمنفعة، ومعظم المشكلة تكمن في البوليمرات.” مع عدم وجود بوليمرات لاصقة، يمكن لمرافق إعادة التدوير فصل وإعادة استخدام المواد القيمة في الألواح الشمسية مثل السيليكون والفضة والنحاس والزجاج بسهولة أكبر.

تقول سيلفانا أوفيت، محللة الخلايا الكهروضوئية في NREL، إنه بسبب مشكلة البوليمر، تقوم العديد من مرافق إعادة التدوير برمي خلايا السيليكون المغطاة بالبوليمر، ولا تستعيد سوى إطارات الألمنيوم والأغلفة الزجاجية. تؤدي عملية إعادة التدوير الجزئية هذه إلى إهدار المواد الأكثر قيمة في الوحدات.

“في مرحلة ما، ستكون هناك كمية هائلة من الألواح المستهلكة، ونحن نريد أن نصلح الأمر ونجعل من السهل إعادة تدويره.” —ديفيد يونغ، NREL

إن إيجاد طرق فعالة من حيث التكلفة لإعادة تدوير جميع المواد المستخدمة في الألواح الشمسية سوف يصبح ذا أهمية متزايدة. يقوم المصنعون على مستوى العالم بنشر ما يكفي من الألواح الشمسية لإنتاج 240 جيجاوات إضافية كل عام. ومن المتوقع أن يرتفع هذا المعدل إلى 3 تيراواط بحلول عام 2030، كما يقول أوفيت. وتقول إنه بحلول عام 2050، سيصل ما بين 54 إلى 160 مليون طن من الألواح الكهروضوئية إلى نهاية عمرها الافتراضي.

“في مرحلة ما، ستكون هناك كمية هائلة من الألواح المستهلكة، ونحن نريد أن نصلح الأمر ونجعل من السهل إعادة تدويره. يقول يونج: “لا يوجد سبب لعدم القيام بذلك”. ومن الممكن أن يساعد التغيير في التصنيع في تخفيف المشكلة، ولكن ليس لمدة 25 عامًا أخرى على الأقل، عندما يكون من المقرر أن يتم إيقاف الألواح المصنوعة باستخدام التقنية الجديدة عن العمل.

في تقنية NREL، يتم لحام الزجاج الذي يغلف الخلايا الشمسية في لوحة كهروضوئية معًا عن طريق الذوبان الدقيق. يتم تحقيق الذوبان الدقيق باستخدام ليزر الفيمتو ثانية، الذي يحزم عددًا هائلاً من الفوتونات في نطاق زمني قصير جدًا – حوالي جزء من مليون من مليار من الثانية. ويقول يونج إن عدد الفوتونات المنبعثة من الليزر في الثانية مكثف للغاية لدرجة أنه يغير عملية الامتصاص البصري في الزجاج. وتتغير العملية من الخطية (الامتصاص الطبيعي) إلى اللاخطية، مما يسمح للزجاج بامتصاص الطاقة من الفوتونات التي لا يمتصها عادة، كما يقول.

ويولد الشعاع المكثف، المتمركز بالقرب من واجهة لوحي الزجاج، بلازما صغيرة من ذرات الزجاج المتأين. تسمح هذه البلازما للزجاج بامتصاص معظم الفوتونات من الليزر وإذابة اللوحتين الزجاجيتين محليًا لتكوين لحام. نظرًا لعدم وجود سطح مفتوح، لا يوجد تبخر للزجاج المنصهر أثناء عملية اللحام. إن قلة التبخر من البركة المنصهرة تسمح للزجاج بالتبريد في حالة خالية من الإجهاد، مما يترك لحامًا قويًا للغاية.

يقوم ليزر الفيمتو ثانية بإنشاء لحامات دقيقة بين لوحين زجاجيين.ديفيد يونغ / NREL

في اختبارات الإجهاد التي أجرتها مجموعة NREL، أثبتت اللحامات قوتها تقريبًا مثل الزجاج نفسه، كما لو لم يكن هناك لحام على الإطلاق. وصف يونج وزملاؤه أسلوبهم في إثبات المفهوم في ورقة بحثية نُشرت في 21 فبراير في مجلة مجلة IEEE للخلايا الكهروضوئية.

يقول الباحثون إن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام ليزر الفيمتو ثانية لاختبار اللحامات من الزجاج إلى الزجاج للوحدات الشمسية. لقد انخفضت تكلفة أجهزة الليزر هذه خلال السنوات القليلة الماضية، لذلك يجد الباحثون استخداماتها في مجموعة واسعة من التطبيقات. على سبيل المثال، تم استخدام ليزر الفيمتو ثانية لإنشاء شاشات بلازما ثلاثية الأبعاد في الهواء ولتحويل زجاج التيلوريت إلى بلورة شبه موصلة. لقد تم استخدامها أيضًا في لحام الزجاج في الأجهزة الطبية.

قبل ظهور ليزر الفيمتو ثانية، حاولت مجموعات بحثية لحام زجاج الألواح الشمسية باستخدام ليزر النانو ثانية. لكن تلك الليزرات، ذات نبضات أطول بمليون مرة من نبضات ليزر الفيمتو ثانية، لم تتمكن من إنشاء لحام من الزجاج إلى الزجاج. حاول الباحثون استخدام مادة حشو تسمى فريت الزجاج في اللحام، لكن روابط المواد المتباينة أثبتت أنها هشة وضعيفة للغاية بالنسبة لتصميمات الألواح الشمسية الخارجية، كما يقول يونج.

بالإضافة إلى تسهيل عملية إعادة التدوير، فإن تصميم NREL قد يجعل الألواح الشمسية تدوم لفترة أطول. تعتبر البوليمرات حواجز ضعيفة أمام الرطوبة مقارنة بالزجاج، وتتحلل المادة بمرور الوقت. وهذا يسمح للرطوبة بالدخول إلى الخلايا الشمسية، ويؤدي في النهاية إلى التآكل. يقول يونج: “إن وحدات الطاقة الشمسية الحالية ليست مانعة للماء”. سيكون ذلك مشكلة بالنسبة لخلايا البيروفسكايت، وهي تكنولوجيا رائدة من الجيل التالي للطاقة الشمسية حساسة للغاية للرطوبة والأكسجين.

يقول يونج: “إذا تمكنا من توفير نوع مختلف من الختم حيث يمكننا التخلص من البوليمرات، فلن نحصل على وحدة أفضل تدوم لفترة أطول فحسب، بل سنحصل أيضًا على وحدة أسهل بكثير في إعادة التدوير”.