الألواح الشمسية لهذا المهندس تحطم الأرقام القياسية في الكفاءة

لم يكن تشين منبهراً بالتكنولوجيا فحسب، بل بالاقتصاد أيضاً. هل ستدفع سلطة الكهرباء لعملائها؟

بدا الأمر كالسحر: كهرباء مفيدة وقيمة مستخرجة من ضوء الشمس البسيط. وقد غذت عجب كل ذلك أحلامه منذ ذلك الحين.

في عام 2013 حصل تشين على درجة الدكتوراه. وهو حاصل على دكتوراه في علوم وتقنيات الطاقة الكهروضوئية، وهو اليوم يشغل منصب نائب الرئيس المساعد للتكنولوجيا في شركة ترينا سولار الصينية، وهي شركة مقرها تشانغتشو وتعد واحدة من أكبر الشركات المصنعة للطاقة الكهروضوئية في العالم. وهو يقود مجموعة البحث والتطوير في الشركة، والتي ساهمت جهودها في تحقيق أكثر من عشرين رقماً قياسياً عالمياً في كفاءة وإنتاج الطاقة الشمسية.

لمساهمات تشين في علوم وتكنولوجيا تحويل الطاقة الكهروضوئية، حصل عضو IEEE على جائزة 2023 جائزة IEEE ستيوارت ر. وينهام للمحترفين الشباب من جمعية الأجهزة الإلكترونية IEEE.

يقول تشين: “لقد كنت مندهشًا جدًا وممتنًا للغاية” لتلقي جائزة وينهام. “إنه تقدير رفيع المستوى للغاية، وهناك الكثير من الخبراء المستحقين من جميع أنحاء العالم.”

دفع ترينا سولار نحو أجهزة أكثر كفاءة

تحقق الألواح الشمسية التجارية اليوم كفاءة تبلغ حوالي 20 بالمائة: يمكنها تحويل خمس ضوء الشمس الملتقط إلى كهرباء. وتحاول مجموعة تشين جعل هذه الألواح أكثر كفاءة.

تركز المجموعة على تحسين تصميمات الخلايا الشمسية، بما في ذلك الباعث السلبي والخلية الخلفية (PERC)، وهو المعيار الصناعي للألواح الشمسية السلعية.

تم اختراع PERCs في عام 1983، ويتم استخدامها اليوم في ما يقرب من 90 في المئة من الألواح الشمسية في السوق. وهي تشتمل على طبقات من الطلاء في الأمام والخلف لالتقاط ضوء الشمس بشكل أكثر فعالية وتجنب فقدان الطاقة، سواء على الأسطح أو أثناء انتقال ضوء الشمس عبر الخلية. الطلاءات، المعروفة باسم طبقات التخميل، مصنوعة من مواد مثل نيتريد السيليكون، وثاني أكسيد السيليكون، وأكسيد الألومنيوم. تحافظ الطبقات على الإلكترونات الحرة المشحونة سالبًا وفتحات الإلكترونات المشحونة إيجابيًا بعيدًا عن بعضها البعض، مما يمنعها من الاتحاد على سطح الخلية الشمسية وإهدار الطاقة.

وقد طور تشين وفريقه عدة طرق لتعزيز أداء لوحات PERC، لتصل إلى مستوى قياسي يبلغ 24.5 بالمائة من الكفاءة في عام 2022. إحدى التقنيات هي طلاء متعدد الطبقات مضاد للانعكاس يساعد الألواح الشمسية على احتجاز المزيد من الضوء. كما قاموا بإنشاء أصابع معدنية دقيقة للغاية – خطوط ضيقة على أسطح الخلايا الشمسية – لجمع ونقل التيار الكهربائي والمساعدة في التقاط المزيد من ضوء الشمس. وقاموا بتطوير طريقة متقدمة لوضع شرائح معدنية موصلة تمر عبر الخلية الشمسية، والمعروفة باسم قضبان التوصيل.

ويتوقع الخبراء أن يتم الوصول إلى أقصى قدر من الكفاءة لتكنولوجيا PERC قريبًا، حيث تصل إلى حوالي 25 بالمائة.

يعرض عضو IEEE Yifeng Chen وحدة الطاقة الشمسية i-TOPCon، التي تتمتع بكفاءة إنتاجية تزيد عن 23 بالمائة وإخراج طاقة يصل إلى 720 واط.ترينا سولار

“لذا فإن السؤال هو: كيف يمكننا جعل الخلايا الشمسية أكثر كفاءة؟” يقول تشين.

خلال السنوات القليلة الماضية، كان هو ومجموعته يعملون على تقنية الاتصال التخميل لأكسيد النفق (TOPCon). تستخدم خلية TOPCon طبقة رقيقة من المادة العازلة “أكسيد النفق” – ثاني أكسيد السيليكون عادةً – والتي يتم تطبيقها على سطح الخلية الشمسية. على غرار طبقات التخميل الموجودة في خلايا PERC، يمنع أكسيد النفق الإلكترونات الحرة وفتحات الإلكترون من الجمع وإهدار الطاقة.

في عام 2022 أنشأت Trina لوحة من نوع TOPCon بكفاءة قياسية بلغت 25.5 بالمائة، وقبل شهرين أعلنت الشركة لقد حققت رقماً قياسياً قدره 740.6 واط لوحدة الطاقة الشمسية TOPCon ذات الإنتاج الضخم. وكان الأخير هو الرقم القياسي السادس والعشرون الذي سجلته ترينا للكفاءات والمخرجات المتعلقة بالطاقة الشمسية.

ولتحقيق هذا الأداء القياسي لألواح TOPCon الخاصة بهم، قام تشين وفريقه بتحسين عمليات التصنيع في الشركة بما في ذلك الإطلاق المستحث بالليزر، حيث يقوم الليزر بتسخين جزء من الخلية الشمسية وإنشاء روابط بين نقاط الاتصال المعدنية ورقاقة السيليكون. وتكون الاتصالات الناتجة أقوى وأفضل توافقًا، مما يعزز الكفاءة.

يقول تشين: “نحن نحاول الاستمرار في تحسين الأمور لاحتجاز المزيد من ضوء الشمس”. “إن الحصول على كفاءة أكبر بنسبة 1 أو 2 بالمائة يعد أمرًا ضخمًا. وقد تبدو هذه زيادات ضئيلة للغاية، ولكن هذه التحسينات الصغيرة على نطاق واسع تخلق قيمة كبيرة من حيث الاقتصاد والاستدامة والقيمة للمجتمع.

ومع ارتفاع كفاءة الخلايا الشمسية وانخفاض الأسعار، يقول تشن، إنه يتوقع أن تستمر الطاقة الشمسية في النمو في جميع أنحاء العالم. وتتصدر الصين حاليا العالم في قدرة الطاقة الشمسية المركبة، وهو ما يمثل حوالي 40 في المائة من القدرة العالمية. وتأتي الولايات المتحدة في المرتبة الثانية بفارق كبير، بنسبة 12 في المائة، وفقا لتقديرات عام 2023 تقرير ريستاد للطاقة. ويتوقع التقرير أن قدرة الصين على توليد 500 جيجاوات من الطاقة الشمسية في عام 2023 من المرجح أن تتجاوز 1 تيراواط بحلول عام 2026.

يقول تشين: “لقد ألهمني استخدام العلم لخلق شيء مفيد للبشر، ثم مدفوعًا بالسعي لتحقيق التميز”. “يمكننا دائمًا أن نتعلم شيئًا جديدًا لإجراء هذا التغيير، وتحسين تلك القطعة من التكنولوجيا، والتحسن قليلاً.”

تدرب على يد رواد الطاقة الشمسية

حضر تشين يات صن جامعة الشمس في قوانغتشو، الصين، وحصل على درجة البكالوريوس في علوم وتقنيات البصريات في عام 2008. وبقي لمتابعة درجة الدكتوراه. في علوم وتقنيات الخلايا الكهروضوئية. كان بحثه يدور حول الخلايا الشمسية عالية الكفاءة المصنوعة من السيليكون البلوري القائم على الرقاقة. وكان مستشاره هوي شين، أستاذ بارز في مجال الطاقة الكهروضوئية ومؤسس معهد الجامعة لأنظمة الطاقة الشمسية. يصفه تشين بأنه «الشخصية الأولى من بين ثلاث شخصيات مهمة جدًا في مسيرتي العلمية».

في عام 2011، أمضى تشين عامًا للحصول على درجة الدكتوراه. طالب في جامعة لايبنيز هانوفر، في ألمانيا. هناك درس تحت بيترو ب. ألترمات، الشخصية المؤثرة الثانية في حياته المهنية.

ألترمات – وهو خبير بارز في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون والذي أصبح فيما بعد عالمًا رئيسيًا في ترينا – نصح تشين بشأن تقنياته الحسابية لنمذجة وتحليل سلوك الخلايا الشمسية ثنائية وثلاثية الأبعاد. تلعب النماذج دورًا رئيسيًا في تصميم الخلايا الشمسية لتحسين إنتاجها.

“إن الحصول على كفاءة أكبر بنسبة 1 أو 2 بالمائة يعد أمرًا ضخمًا. قد تبدو هذه زيادات ضئيلة للغاية، ولكن على نطاق واسع، تخلق هذه التحسينات الصغيرة قيمة كبيرة من حيث الاقتصاد والاستدامة والقيمة للمجتمع.

“دكتور. يقول تشين: “لقد غير ألترمات الطريقة التي أنظر بها إلى الأشياء”. “في ألمانيا، يركزون حقًا على فيزياء الأجهزة.”

بعد حصوله على درجة الدكتوراه، أصبح تشين مساعدًا فنيًا في شركة ترينا، حيث التقى بالشخص الثالث المؤثر للغاية في حياته المهنية: بيير فيرليندن، وهو باحث رائد في مجال الخلايا الكهروضوئية وكان كبير العلماء في الشركة.

في شركة Trina، ارتقى تشين بسرعة من خلال أدوار البحث والتطوير. يشغل منصب نائب الرئيس المساعد للتكنولوجيا في الشركة منذ عام 2023.

“كنز” أبحاث IEEE

انضم تشين إلى IEEE كطالب لأنه أراد حضور المؤتمر مؤتمر IEEE لأخصائيي الطاقة الكهروضوئية، وهو أطول حدث مخصص للخلايا الكهروضوئية والخلايا الشمسية والطاقة الشمسية.

كانت العضوية مفيدة بشكل خاص خلال فترة الدكتوراه. يقول إنه يدرس لأنه استخدم مكتبة IEEE Xplore الرقمية للوصول إلى الأوراق الأرشيفية.

يقول تشين: “من المؤكد أن عملي مستوحى من الأوراق التي وجدتها عبر IEEE”. “بالإضافة إلى ذلك، سينتهي بك الأمر بالنقر حول وقراءة أعمال أخرى لا تتعلق بمجالك ولكنها مثيرة للاهتمام للغاية.

“مستودع النشر هو كنز. إنه أمر مثير للدهشة أن نرى ما يحدث داخل وخارج مجال عملك، مع حدوث اكتشافات جديدة طوال الوقت.”