هناك نوع مختلف من تكنولوجيا الطاقة الشمسية يستعد لتحقيق نجاح كبير

تشترك معظم الألواح الشمسية التي تغطي أسطح المنازل والحقول والصحاري في العالم اليوم في نفس المكون: السيليكون البلوري. يتم تشكيل المادة المصنوعة من البولي سيليكون الخام على شكل رقائق ويتم توصيلها بخلايا شمسية، وهي أجهزة تحول ضوء الشمس إلى كهرباء. وفي الآونة الأخيرة، أصبح اعتماد الصناعة على هذه التكنولوجيا الفريدة بمثابة عائق. اختناقات سلسلة التوريدتتباطأمنشآت الطاقة الشمسية الجديدة في جميع أنحاء العالم. كبار موردي البولي سيليكون في منطقة شينجيانغ الصينية —متهم باستخدام العمل القسري من الأويغور– تواجه عقوبات تجارية أمريكية.

ولحسن الحظ، فإن السيليكون البلوري ليس المادة الوحيدة التي يمكن أن تساعد في تسخير طاقة الشمس. وفي الولايات المتحدة، يعمل العلماء والمصنعون على توسيع إنتاج تكنولوجيا الطاقة الشمسية من تيلوريد الكادميوم. تيلورايد الكادميوم هو نوع من الخلايا الشمسية "ذات الأغشية الرقيقة"، وكما يوحي هذا الاسم، فهي أرق بكثير من خلية السيليكون التقليدية. واليوم، تستخدم الألواح تيلورايد الكادميومتوريد حوالي 40 في المئةمن سوق المرافق العامة في الولايات المتحدة، وحوالي 5 في المائة من سوق الطاقة الشمسية العالمية. وهم قادرون على الاستفادة من الرياح المعاكسة التي تواجه صناعة الطاقة الشمسية على نطاق أوسع.

قال كيلسي جوس، محلل أبحاث الطاقة الشمسية لدى مجموعة وود ماكنزي لاستشارات الطاقة: "إنها فترة متقلبة للغاية، خاصة بالنسبة لسلسلة توريد السيليكون البلوري بشكل عام". "هناك إمكانية كبيرة لمصنعي تلوريد الكادميوم للحصول على حصة أكبر من السوق في العام المقبل." وأشارت بشكل خاص إلى أن قطاع تلوريد الكادميوم يتوسع بالفعل.

وفي يونيو/حزيران، قالت شركة تصنيع الطاقة الشمسية "فيرست سولار" إنها ستفعل ذلكاستثمار 680 مليون دولارفي مصنع ثالث للطاقة الشمسية تيلورايد الكادميوم في شمال غرب ولاية أوهايو. عند الانتهاء من المنشأة، في عام 2025، ستكون الشركة قادرة على إنتاج ما قيمته 6 جيجاوات من الألواح الشمسية في المنطقة. وهذا يكفي لتزويد ما يقرب من مليون منزل أمريكي بالطاقة. دخلت شركة توليدو سولار للطاقة الشمسية، ومقرها ولاية أوهايو، السوق مؤخرًا وتقوم بتصنيع ألواح تيلوريد الكادميوم لأسطح المنازل السكنية. وفي يونيو/حزيران، قامت وزارة الطاقة الأمريكية ومختبرها الوطني للطاقة المتجددة، أو NREL،أطلقت برنامجًا بقيمة 20 مليون دولارلتسريع البحث وتنمية سلسلة التوريد لتيلوريد الكادميوم. أحد أهداف البرنامج هو المساعدة في عزل سوق الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة عن قيود العرض العالمية.

لقد عمل الباحثون في NREL وFirst Solar، التي كانت تُعرف سابقًا باسم Solar Cell Inc.، معًا منذ أوائل التسعينيات لتطويرتكنولوجيا تلوريد الكادميوم. الكادميوم والتيلوريد هما من المنتجات الثانوية لصهر خامات الزنك وتكرير النحاس، على التوالي. في حين يتم ربط رقائق السيليكون معًا لتكوين الخلايا، يتم وضع الكادميوم والتيلوريد كطبقة رقيقة - حوالي عُشر قطر شعرة الإنسان - على لوح من الزجاج، جنبًا إلى جنب مع مواد أخرى موصلة للكهرباء. قامت شركة First Solar، وهي الآن أكبر شركة مصنعة للأغشية الرقيقة في العالم، بتوريد الألواح لمنشآت الطاقة الشمسية في 45 دولة.

وقالت لوريل مانسفيلد، عالمة NREL، إن هذه التكنولوجيا لها مزايا معينة مقارنة بالسيليكون البلوري. على سبيل المثال، تتطلب عملية الأغشية الرقيقة مواد أقل من الطريقة المعتمدة على الرقاقة. تعد تقنية الأغشية الرقيقة أيضًا مناسبة تمامًا للاستخدام في الألواح المرنة، مثل تلك التي تغطي حقائب الظهر أو الطائرات بدون طيار أو المدمجة في واجهات المباني والنوافذ. والأهم من ذلك، أن ألواح الأغشية الرقيقة تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة، في حين أن ألواح السيليكون يمكن أن ترتفع درجة حرارتها وتصبح أقل كفاءة في توليد الكهرباء، على حد قولها.

لكن السيليكون البلوري له اليد العليا في مجالات أخرى، مثل متوسط ​​كفاءته، أي نسبة ضوء الشمس التي تمتصها الألواح وتحولها إلى كهرباء. تاريخياً، تتمتع ألواح السيليكون بكفاءة أعلى من تكنولوجيا تيلورايد الكادميوم، على الرغم من أن الفجوة آخذة في التضييق. ويمكن لألواح السيليكون المنتجة صناعياً اليوم أن تحقق كفاءات18 إلى 22 بالمئةبينما أعلنت شركة First Solar عن متوسط ​​كفاءة يبلغ 18 بالمائة لأحدث ألواحها التجارية.

ومع ذلك، فإن السبب الرئيسي وراء سيطرة السيليكون على السوق العالمية بسيط نسبيًا. قال جوس: "الأمر كله يتعلق بالتكلفة". "يميل سوق الطاقة الشمسية إلى أن يكون مدفوعًا بشكل كبير بأرخص التقنيات."

وقالت إن تكلفة السيليكون البلوري تتراوح بين 0.24 إلى 0.25 دولار لإنتاج كل واط من الطاقة الشمسية، وهو أقل من المنافسين الآخرين. قالت شركة First Solar إنها لم تعد تعلن عن تكلفة كل واط لإنتاج ألواح تيلورايد الكادميوم، لكن التكاليف "انخفضت بشكل كبير" منذ عام 2015 - عندماالتكاليف المبلغ عنها قدرها 0.46 دولار لكل واط– ويستمر في الانخفاض كل عام. هناك عدة أسباب وراء رخص السيليكون النسبي. إن مادة البولي سيليكون الخام، والتي تستخدم أيضًا في أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية، متاحة على نطاق واسع وغير مكلفة من إمدادات الكادميوم والتيلوريد. ومع توسع مصانع ألواح السيليكون والمكونات ذات الصلة، انخفضت التكاليف الإجمالية لصنع وتركيب التكنولوجيا. كما قامت الحكومة الصينية بشدةالمدعومة والمدعومةقطاع الطاقة الشمسية السيليكونية في البلاد - إلى هذا الحدحوالي 80 بالمئةمن سلسلة توريد تصنيع الطاقة الشمسية في العالم تمر الآن عبر الصين.

أدى انخفاض تكاليف الألواح إلى ازدهار الطاقة الشمسية العالمية. على مدى العقد الماضي، شهد إجمالي قدرة الطاقة الشمسية المثبتة في العالم زيادة بنحو عشرة أضعاف، من حوالي 74000 ميجاوات في عام 2011 إلى ما يقرب من 714000 ميجاوات في عام 2020.وفقالوكالة الدولية للطاقة المتجددة. تمثل الولايات المتحدة حوالي سبع إجمالي الطاقة الشمسية في العالم، والآن أصبحت الطاقة الشمسية كذلكواحدة من أكبر المصادرمن القدرة الكهربائية الجديدة المثبتة في الولايات المتحدة كل عام.

ومن المتوقع بالمثل أن تتقلص تكلفة كل واط من تيلوريد الكادميوم وغيره من تقنيات الأغشية الرقيقة مع توسع التصنيع. (يقول أول سولارأنه عند افتتاح منشأتها الجديدة في أوهايو، ستقدم الشركة أقل تكلفة لكل واط في سوق الطاقة الشمسية بأكمله.) لكن التكلفة ليست المقياس الوحيد الذي يهم، كما توضح قضايا سلسلة التوريد الحالية في الصناعة والمخاوف العمالية.

وقال مارك ويدمار، الرئيس التنفيذي لشركة فيرست سولار، إن التوسع المخطط للشركة بقيمة 680 مليون دولار هو جزء من جهد أكبر لبناء سلسلة توريد مكتفية ذاتيًا و"فصل" صناعة الطاقة الشمسية الأمريكية عن الصين. على الرغم من أن ألواح تيلوريد الكادميوم لا تستخدم أي بولي سيليكون، فقد شعرت شركة First Solar بتحديات أخرى تواجه الصناعة، مثل الأعمال المتراكمة الناجمة عن الوباء في صناعة الشحن البحري. في أبريل/نيسان، 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. ويسمح برنامج إعادة التدوير الحالي للشركة لألواحها الشمسية بإعادة استخدام المواد عدة مرات، مما يقلل من اعتمادها على سلاسل التوريد والمواد الخام الأجنبية.

بينما تقوم شركة First Solar بإنتاج الألواح، يواصل العلماء في كل من الشركة وNREL اختبار وتحسين تكنولوجيا تيلوريد الكادميوم. في عام 2019 الشركاءطورت نهجا جديدايتضمن ذلك "تطعيم" مواد الأغشية الرقيقة بالنحاس والكلور لتحقيق كفاءات أعلى. في وقت سابق من هذا الشهر، NRELأعلنت النتائجمن اختبار ميداني مدته 25 عامًا في منشأتها الخارجية في جولدن، كولورادو. كانت مجموعة مكونة من 12 لوحة من ألواح تيلورايد الكادميوم تعمل بنسبة 88% من كفاءتها الأصلية، وهي نتيجة قوية للوحة ظلت بالخارج لأكثر من عقدين من الزمن. وهذا التحلل "يتماشى مع ما تفعله أنظمة السيليكون"، وفقًا لإصدار NREL.

وقال مانسفيلد، عالم NREL، إن الهدف ليس استبدال السيليكون البلوري بتيلوريد الكادميوم أو إنشاء تقنية متفوقة على الأخرى. وقالت: "أعتقد أن هناك مكانًا لهم جميعًا في السوق، ولكل منهم تطبيقاته الخاصة". "نريد أن تذهب كل الطاقة إلى مصادر متجددة، لذلك نحن بحاجة حقًا إلى كل هذه الأنواع المختلفة من التكنولوجيا لمواجهة هذا التحدي."