Comparative Technical-Economic Analysis of Perovskite-Silicon Tandem Cells vs. Last-Generation Commercial N-Type Technologies (TOPCon, HJT, and BC)

تخيل الشمس كأنها شاحن بطارية عملاق ولا يهدأ، يرسل أشعته نحو كوكبنا. لعقود من الزمن، حاول العلماء بناء "صائد شمسي" مثالي—جهاز يلتقط أكبر قدر ممكن من تلك الطاقة ويحولها إلى كهرباء لتشغيل أضواء منازلنا، وسياراتنا، ومدننا. وأكثر "الصائدين" شعبية حتى الآن مصنوع من السيليكون، وهو نفس المادة الموجودة في الرمال والرقائق الحاسوبية. فكر في خلايا السيليكون مثل طبقة واحدة من الإسفنج: هي رائعة في امتصاص الماء، لكن لديها حد معين لما يمكنها الاحتفاظ به قبل أن تبدأ في التقطر. وفي عالم الطاقة الشمسية، يُسمى هذا الحد بـ "حد شوكلي-كويسر"، وهو سقف نظري حيث لا يمكن للإسفنجة ذات الطبقة الواحدة أن تصبح أكثر بللاً مهما حاولت.

ولكسر هذا السقف، يقوم الباحثون الآن ببناء صائدات "متعددة الطبقات" (tandem). تخيل وضع إسفنجتين مختلفتين فوق بعضهما البعض: طبقة علوية مصنوعة من مادة جديدة وسحرية تسمى "البيروفسكايت" تلتقط الضوء عالي الطاقة، وطبقة سفلية من السيليكون تلتقط ما تبقى. هذا الفريق المكون من طبقتين يعد بامتصاص طاقة أكبر بكثير مما يمكن لإسفنجة واحدة أن تفعله. ولكن يبقى السؤال الكبير: هل هذه الإسفنجة المزدوجة الأنيقة جاهزة لتحل محل الإسفنجات الفردية الموثوقة التي نستخدمها اليوم، أم أنها مجرد تجربة علمية رائعة لكنها مكلفة وهشة للغاية للاستخدام في العالم الحقيقي؟ هذا هو اللغز الذي تحاول دراسة جديدة حله.

المواجهة الكبرى للطاقة الشمسية: الحرس القديم ضد المنافس الجديد

في هذه الدراسة، يضع المؤلف ديفيد زاركو غونزاليس مضمار سباق رقمي ضخم لمقارنة أبطال الطاقة الشمسية الحاليين ضد النجم الصاعد في المستقبل. يتكون "الحرس القديم" من ثلاثة أنواع من خلايا السيليكون المتقدمة التي تهيمن بالفعل على السوق: TOPCon وHJT وBC. فكر في هذه الخلايا كعدائي ماراثون متمرسين—موثوقين، وسريعين، ومثبتين قدرتهم على إنهاء السباق دون التعثر. أما "المنافس الجديد" فهو خلية (بيروفسكايت-سيليكون) مزدوجة الطبقات، وهي قوة ضاربة مكونة من طبقتين تعد بالركض بسرعة أكبر من أي شخص آخر، لكنها لا تزال تتعلم كيف تحافظ على توازنها وتظل واقفة على قدميها.

لم تكتفِ الدراسة بالنظر في من هو الأسرع في المختبر فحسب؛ بل قامت بمحاكاة كيفية أداء هذه التقنيات على مدار 30 عاماً في ثلاثة مواقع مختلفة تماماً من الواقع: الحقول المشمسة والحارة في قرطبة بإسبانيا؛ والسهول ذات الطقس المختلط في جنوب سويسرا وإيطاليا؛ والسماء الغائمة والباردة في أوتريخت بهولندا. كما اختبرت إعدادين مختلفين: مزارع شمسية ضخمة على الأرض، وألواح شمسية على أسطح المصانع.

النتائج: من يفوز بالسباق؟

عندما قامت عمليات المحاكاة بحساب الأرقام، كانت النتائج مزيجاً من "يا للروعة" و"انتظر لحظة".

أولاً، أظهرت خلايا (البيروفسكايت-سيليكون) سرعتها المذهلة. في عمليات المحمحاكاة، ولدت هذه الخلايا أكبر قدر من الكهرباء على مدار 30 عاماً في كل السيناريوهات تقريباً. على سبيل المثال، في المزرعة الأرضية المشمسة في إسبانيا، أنتجت الخلايا المزدوجة حوالي 57,154.6 ميجاوات ساعة على مدى ثلاثة عقود، متفوقة على أفضل عداء سيليكون (HJT) الذي أنتج 56,172.6 ميجاوات ساعة. ولأنها عالية الكفاءة، فأنت تحتاج لعدد أقل منها للحصول على نفس كمية الطاقة، مما يوفر المال في "توازن النظام" (الأسلاك، والحوامل، والأرض اللازمة لتثبيتها).

ومع ذلك، هناك عقبة. وجدت الدراسة أنه بينما تنتج الخلايا المزدوجة طاقة أكثر، إلا أنها حالياً أغلى بكثير في الشراء والتركيب. تُقدر تكلفة الوحدات المزدوجة بـ 0.24 يورو/واط ذروة، بينما المنافسون من السيليكون أرخص بكثير، حيث تبلغ تكلفة TOPCon وBC حوالي 0.115 يورو/واط ذروة، وHJT حوالي 0.125 يورو/واط ذروة.

وبسبب هذا السعر المرتفع، فإن "التكلفة المستوية للطاقة" (LCOE)—وهي ببساطة متوسط السعر الذي تدفعه مقابل كل وحدة كهرباء طوال عمر المشروع—غالباً ما تكون قريبة جداً من خيارات السيليكون، أو أعلى قليلاً منها، اعتماداً على الموقع.

• في إسبانيا (أرضي)، كانت تكلفة LCOE للخلايا المزدوجة 40.72 يورو/ميجاوات ساعة، وهي أعلى قليلاً من تكلفة TOPCon البالغة 40.17 يورو/ميجاوات ساعة.
• في إيطاليا (أرضي)، كانت التكلفة للخلايا المزدولة 60.10 يورو/ميجاوات ساعة، وهي في الواقع أعلى قليلاً من تكلفة TOPCon البالغة 59.90 يورو/ميجاوات ساعة.
• في هولندا (أرضي)، كانت التكلفة 85.16 يورو/ميجاوات ساعة، وهي مطابقة تقريباً لـ (وتتجاوز تقنياً بجزء بسيط من السنت) تكلفة TOPCon البالغة 85.09 يورو/ميجاوات ساعة.

تشير الدراسة إلى أن الخلايا المزدوجة تبدو صفقة أفضل فقط في الأماكن التي تكون فيها الشمس أضعف أو الطقس أبرد، مثل هولندا، لأن كفاءتها العالية تساعدها على عصر المزيد من الطاقة عندما يكون الضوء خافتاً. ولكن في الأماكن الأكثر حرارة وشمساً، غالباً ما تلغي التكلفة الإضافية للخلايا المزدوجة الطاقة الإضافية التي تولدها.

مشكلة "العمل غير المكتمل"

الورقة البحثية واضحة جداً بشأن عقبة رئيسية واحدة: الاستقرار. يشير المؤلف إلى أنه بينما الخلايا المزدوجة سريعة، إلا أنها قد لا تكون مبنية لتدوم طوال سباق الثلاثين عاماً. تقدر الدراسة أن الخلايا المزدوجة قد تتدهور (تتآكل) بمعدل 1.0–2.0% سنوياً، في حين أن عدائي السيليكون يتدهورون ببطء أكبر بكثير، بمعدل ≤0.40% لـ TOPCon و ≤0.25% لـ HJT.

تخيل عداءً يركض بسرعة فائقة في الميل الأول، ثم يبدأ بالعرج والتباطؤ كل عام بعد ذلك. عدائو السيليكون يشبهون السلاحف: يبدؤون بثبات ويستمرون بوتيرة ثابتة لعقود. تشير الدراسة إلى أنه لكي تثق البنوك والمستثمرون في الخلايا المزدوجة عبر منح قروض ضخمة (تمويل غير رجوعي)، فإنهم يحتاجون إلى دليل على أن هذه الخلايا لن تنهار بعد 10 سنوات. حالياً، تأتي الخلايا المزدوجة فقط مع ضمان تجريبي لمدة 10-15 عاماً، مقارنة بـ ضمان الـ 30 عاماً الذي يقدمه عمالقة السيليكون.

الحكم النهائي

إذاً، ما هي النتيجة النهائية؟ تخلص الدراسة إلى أنه في الوقت الحالي، تعتبر تقنية السيليكون TOPCon هي الملكة من حيث فعالية التكلفة لمزارع الشمس الكبيرة، بينما تعد HJT هي البطلة للمناخات الحارة لأنها تتعامل مع الحرارة بشكل أفضل. أما خلايا الاتصال الخلفي (BC) فهي رائعة لالتقاط الضوء دون ظلال.

إن (البيروفسكايت-سيليكون) هي "بطل المستقبل" ذات القدرة العالية، لكنها لم تعبر خط النهاية بعد. يقترح المؤلف أنه لكي تسيطر الخلايا المزدوجة على السوق، يجب أن تنخفض تكاليف تصنيعها إلى أقل من 0.15–0.18 دولار/واط ذروة (وهي حالياً أعلى بكثير)، وتحتاج إلى إثبات قدرتها على الصمود أمام العوامل الجوية لمدة 30 عاماً دون أن تفقد قوتها. وحتى ذلك الحين، تظل عدائيو السيليكون الموثوقون والمثبتون هم الخيار الأفضل لبناء محطات الطاقة الشمسية اليوم.