تشترك معظم الألواح الشمسية التي تغطي أسطح المنازل والحقول والصحاري حول العالم اليوم في نفس المكون: السيليكون البلوري. تُصنع هذه المادة من البولي سيليكون الخام، وتُشكل على شكل رقائق وتُوصل بخلايا شمسية، وهي أجهزة تُحوّل ضوء الشمس إلى كهرباء. في الآونة الأخيرة، أصبح اعتماد الصناعة على هذه التقنية الفريدة يُشكل عبئًا. اختناقات سلسلة التوريديتباطأونتركيبات شمسية جديدة حول العالم. موردو البولي سيليكون الرئيسيون في منطقة شينجيانغ الصينية —متهم باستخدام العمالة القسرية من الأويغور- يواجهون عقوبات تجارية أمريكية.
لحسن الحظ، ليس السيليكون البلوري المادة الوحيدة التي تُسهم في تسخير طاقة الشمس. ففي الولايات المتحدة، يعمل العلماء والمصنّعون على توسيع إنتاج تقنية تيلورايد الكادميوم الشمسية. تيلورايد الكادميوم هو نوع من الخلايا الشمسية ذات "الأغشية الرقيقة"، وكما يوحي اسمه، فهو أرق بكثير من خلايا السيليكون التقليدية. واليوم، تُستخدم الألواح التي تستخدم تيلورايد الكادميومتوفير حوالي 40 في المائةمن سوق الطاقة الشمسية على نطاق المرافق في الولايات المتحدة، وحوالي 5% من سوق الطاقة الشمسية العالمي. ومن المتوقع أن تستفيد هذه الشركات من التحديات التي تواجه صناعة الطاقة الشمسية الأوسع.
قالت كيلسي جوس، محللة أبحاث الطاقة الشمسية في مجموعة وود ماكنزي لاستشارات الطاقة: "إنها فترة متقلبة للغاية، وخاصةً بالنسبة لسلسلة توريد السيليكون البلوري عمومًا". وأضافت: "هناك إمكانات كبيرة لمصنعي تيلورايد الكادميوم للاستحواذ على حصة سوقية أكبر في العام المقبل". وأشارت إلى أن قطاع تيلورايد الكادميوم يشهد نموًا متزايدًا بالفعل.
في يونيو، قالت شركة تصنيع الطاقة الشمسية First Solar إنها ستفعلاستثمر 680 مليون دولارفي مصنع ثالث لإنتاج ألواح تيلورايد الكادميوم الشمسية في شمال غرب أوهايو. عند اكتمال بناء المنشأة في عام ٢٠٢٥، ستتمكن الشركة من إنتاج ألواح شمسية بقدرة ٦ جيجاواط في المنطقة. وهذا يكفي لتزويد حوالي مليون منزل أمريكي بالطاقة. دخلت شركة توليدو سولار، وهي شركة طاقة شمسية أخرى مقرها أوهايو، السوق مؤخرًا، وهي تُنتج ألواح تيلورايد الكادميوم لأسطح المنازل. وفي يونيو، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية والمختبر الوطني للطاقة المتجددة التابع لها (NREL)،أطلق برنامجًا بقيمة 20 مليون دولارلتسريع الأبحاث وتنمية سلسلة توريد تيلورايد الكادميوم. ومن أهداف البرنامج المساعدة في حماية سوق الطاقة الشمسية الأمريكي من قيود العرض العالمية.
لقد عمل الباحثون في NREL وشركة First Solar، والتي كانت تُعرف سابقًا باسم Solar Cell Inc.، معًا منذ أوائل التسعينيات لتطويرتكنولوجيا تيلورايد الكادميومالكادميوم والتيلورايد هما منتجان ثانويان لصهر خامات الزنك وتكرير النحاس على التوالي. في حين تُربط رقائق السيليكون معًا لتكوين الخلايا، يُوضع الكادميوم والتيلورايد كطبقة رقيقة - حوالي عُشر قطر شعرة الإنسان - على لوح زجاجي، إلى جانب مواد أخرى موصلة للكهرباء. وقد زودت شركة فيرست سولار، أكبر مُصنّع للأغشية الرقيقة في العالم، ألواحًا لمنشآت الطاقة الشمسية في 45 دولة.
صرحت لوريل مانسفيلد، العالمة في المختبر الوطني للطاقة المتجددة، بأن هذه التقنية تتميز بمزايا معينة مقارنةً بالسيليكون البلوري. فعلى سبيل المثال، تتطلب عملية الأغشية الرقيقة مواد أقل من عملية الرقاقة. كما تُعدّ تقنية الأغشية الرقيقة مناسبة تمامًا للاستخدام في الألواح المرنة، مثل تلك التي تُغطى بها حقائب الظهر أو الطائرات بدون طيار، أو تلك المُدمجة في واجهات المباني والنوافذ. وأضافت أن الأهم من ذلك هو أن ألواح الأغشية الرقيقة تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة، بينما قد ترتفع درجة حرارة ألواح السيليكون وتُصبح أقل كفاءة في توليد الكهرباء.
لكن للسيليكون البلوري تفوق في مجالات أخرى، مثل متوسط كفاءته - أي نسبة ضوء الشمس التي تمتصها الألواح وتحولها إلى كهرباء. تاريخيًا، كانت ألواح السيليكون تتمتع بكفاءة أعلى من تقنية تيلورايد الكادميوم، على الرغم من أن الفجوة تضيق. يمكن لألواح السيليكون المنتجة صناعيًا اليوم تحقيق كفاءات تصل إلىمن 18 إلى 22 بالمائةفي حين أعلنت شركة فيرست سولار عن كفاءة متوسطة بلغت 18% لألواحها التجارية الأحدث.
ومع ذلك، فإن السبب الرئيسي لهيمنة السيليكون على السوق العالمية بسيط نسبيًا. يقول جوس: "الأمر كله يتعلق بالتكلفة. فسوق الطاقة الشمسية يميل إلى الاعتماد بشكل كبير على أرخص التقنيات".
قالت إن تكلفة إنتاج السيليكون البلوري تتراوح بين 0.24 و0.25 دولار أمريكي لكل واط من الطاقة الشمسية، وهي أقل من تكلفة المنافسين الآخرين. وذكرت شركة فيرست سولار أنها لم تعد تُعلن عن تكلفة إنتاج ألواح تيلورايد الكادميوم لكل واط، إلا أن التكاليف "انخفضت بشكل ملحوظ" منذ عام 2015 - عندما بدأت الشركةتم الإبلاغ عن تكاليف قدرها 0.46 دولارًا لكل واط— وتستمر في الانخفاض سنويًا. هناك عدة أسباب لرخص السيليكون النسبي. مادة السيليكون الخام، المستخدمة أيضًا في أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية، متوفرة على نطاق أوسع وأقل تكلفة من إمدادات الكادميوم والتيلورايد. مع توسع مصانع ألواح السيليكون والمكونات ذات الصلة، انخفضت التكاليف الإجمالية لتصنيع وتركيب هذه التقنية. كما أن الحكومة الصينية ضخّت استثمارات كبيرةمدعومة ومدعومةقطاع الطاقة الشمسية السيليكونية في البلاد - لدرجة أنحوالي 80 بالمئةأصبحت سلسلة توريد تصنيع الطاقة الشمسية في العالم تمر الآن عبر الصين.
أدى انخفاض تكاليف الألواح الشمسية إلى ازدهار الطاقة الشمسية العالمية. فعلى مدار العقد الماضي، شهدت الطاقة الشمسية الإجمالية المُركّبة في العالم زيادةً تُقارب عشرة أضعاف، من حوالي 74,000 ميجاوات عام 2011 إلى ما يقرب من 714,000 ميجاوات عام 2020.وفقالوكالة الدولية للطاقة المتجددة. تُمثل الولايات المتحدة حوالي سُبع إجمالي الطاقة الشمسية في العالم، وتُمثل الطاقة الشمسية الآنأحد أكبر المصادرمن القدرة الكهربائية الجديدة التي يتم تركيبها في الولايات المتحدة كل عام.
ومن المتوقع أيضاً أن تنخفض تكلفة الواط الواحد من تيلورايد الكادميوم وغيره من تقنيات الأغشية الرقيقة مع توسع التصنيع.تقول شركة فيرست سولار(عندما تفتتح الشركة منشأتها الجديدة في أوهايو، فإنها ستقدم أدنى تكلفة لكل واط في سوق الطاقة الشمسية بأكمله.) لكن التكلفة ليست المقياس الوحيد الذي يهم، كما توضح مشكلات سلسلة التوريد الحالية في الصناعة ومخاوف العمالة.
قال مارك ويدمار، الرئيس التنفيذي لشركة فيرست سولار، إن التوسع المخطط له للشركة بقيمة 680 مليون دولار هو جزء من جهد أكبر لبناء سلسلة توريد مكتفية ذاتيًا و"فصل" صناعة الطاقة الشمسية الأمريكية عن الصين. وعلى الرغم من أن ألواح تيلورايد الكادميوم لا تستخدم أي بولي سيليكون، إلا أن شركة فيرست سولار شعرت بتحديات أخرى تواجه الصناعة، مثل التراكمات الناجمة عن الوباء في صناعة الشحن البحري. وفي أبريل، أخبرت شركة فيرست سولار المستثمرين أن الازدحام في الموانئ الأمريكية يعيق شحنات الألواح من منشآتها في آسيا. وقال ويدمار إن زيادة الإنتاج الأمريكي ستسمح للشركة باستخدام الطرق والسكك الحديدية لشحن ألواحها، وليس سفن الشحن. كما أن برنامج إعادة التدوير الحالي للشركة لألواحها الشمسية يسمح لها بإعادة استخدام المواد عدة مرات، مما يقلل من اعتمادها على سلاسل التوريد والمواد الخام الأجنبية.
بينما تُنتج شركة فيرست سولار الألواح الشمسية، يواصل العلماء في كلٍّ من الشركة والمختبر الوطني للطاقة المتجددة اختبار وتحسين تقنية تيلورايد الكادميوم. في عام ٢٠١٩، تعاقد الشركاءطور نهجًا جديدًايتضمن ذلك "إِشْبَابَ" مواد الأغشية الرقيقة بالنحاس والكلور لتحقيق كفاءة أعلى. في وقت سابق من هذا الشهر، أعلن المختبر الوطني للطاقة المتجددةأعلنت النتائجنتيجة اختبار ميداني استمر 25 عامًا في منشأتها الخارجية في جولدن، كولورادو. كانت مجموعة من 12 لوحًا من ألواح تيلورايد الكادميوم تعمل بنسبة 88% من كفاءتها الأصلية، وهي نتيجة ممتازة للوحة ظلت في الهواء الطلق لأكثر من عقدين. ووفقًا لبيان المختبر الوطني للطاقة المتجددة، فإن هذا التدهور "يتماشى مع ما تفعله أنظمة السيليكون".
قالت مانسفيلد، عالمة المختبر الوطني للطاقة المتجددة، إن الهدف ليس استبدال السيليكون البلوري بتيلوريد الكادميوم أو ترسيخ تقنية تتفوق على الأخرى. وأضافت: "أعتقد أن لكل منها مكان في السوق، ولكل منها تطبيقاتها. نريد أن تتجه جميع مصادر الطاقة إلى مصادر متجددة، لذا نحتاج حقًا إلى جميع هذه التقنيات المختلفة لمواجهة هذا التحدي".
وقت النشر: ١٧ سبتمبر ٢٠٢١