كيف تقضي الخلايا الشمسية ذات التلامس الخلفي على أعطال التشققات الدقيقة والإجهاد الحراري؟

تعاني صناعة الطاقة الشمسية من مشكلة خفية تتعلق بالموثوقية. تتعرض الألواح الشمسية التقليدية لشقوق دقيقة تُسمى التشققات المجهرية، مما يُقلل من كفاءتها ويُقصر عمرها الافتراضي. هذه الأعطال غير المرئية تُكلف مُركّبي الألواح مطالبات الضمان، وتُزعزع ثقة العملاء، وتُسبب نفقات استبدال غير متوقعة.

تُعالج بنية الخلية ذات التلامس الخلفي (BC) هذه المشكلة من جذورها. فمن خلال إعادة تصميم موضع التلامس الكهربائي على الخلية الشمسية، تُزيل تقنية التلامس الخلفي نقطة التحفيز الرئيسية للتشققات والتلف الحراري.

إليك بالضبط كيف يعمل ذلك - ولماذا هو مهم لمشاريع الطاقة الشمسية الخاصة بك.

المشكلة الحقيقية: لماذا تتشقق الألواح الشمسية القياسية

تبدأ الشقوق الدقيقة صغيرة لكنها تصبح خطيرة

الشقوق الدقيقة هي كسور في خلايا السيليكون الشمسية، وغالبًا ما يتراوح عرضها بين 10 و100 ميكرومتر في البداية. لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. تتشكل هذه الشقوق أثناء التصنيع أو النقل أو التركيب، أو نتيجةً لعوامل الطقس مع مرور الوقت.

⚠ تشير الأبحاث إلى أن الشقوق الدقيقة تسبب فقدان الطاقة حتى 2.5% عندما لا تنفصل الخلايا بشكل كامل. عندما تعزل الشقوق أجزاء من الخلايا، ترتفع الخسائر بشكل كبير.

الأمر الأكثر إثارة للقلق: أن هذه الشقوق الصغيرة غالباً ما تؤدي إلى أماكن ساخنة حيث ترتفع درجة حرارة الخلايا التالفة بشكل مفرط، وقد تصل إلى درجات حرارة أعلى من 50 درجة مئوية.

مخاطر السلامة: تُسرّع النقاط الساخنة من تدهور الألواح وتُشكّل خطراً للحريق. في الحالات القصوى، قد يؤدي التسخين الموضعي إلى احتراق السيليكون عند درجات حرارة تتجاوز 1400 درجة مئوية، مما يُسبب تشقق الزجاج الأمامي وتلفاً دائماً.

مشكلة عدم التوافق الحراري

تواجه الخلايا الشمسية التقليدية تحدياً فيزيائياً أساسياً. تتمدد قضبان التوصيل المعدنية والسيليكون بمعدلات مختلفة تماماً عند تغير درجة الحرارة.

يُحدث كل شروق وغروب للشمس دورة حرارية. تسخن نقاط التلامس المعدنية وتتمدد أسرع من السيليكون الموجود أسفلها. وعندما تنخفض درجات الحرارة ليلاً، ينكمش المعدن أسرع. هذا الشد والجذب المستمر يُولّد توتراً داخلياً عند نقطة التلامس بين المعدن والسيليكون.

الأرقام: يبلغ معامل التمدد الحراري للنحاس حوالي 17 × 10⁻⁶/°م، بينما يبلغ معامل التمدد الحراري للسيليكون حوالي 2.6 × 10⁻⁶/°م. فرق 6.5 ضعف يُسبب كل تغيير في درجة الحرارة توتراً.

على مدى شهور وسنوات، يتركز هذا الإجهاد المتكرر عند حواف قضبان التوصيل ووصلات اللحام. وهذا هو المكان الذي تبدأ فيه معظم الشقوق الدقيقة.

تؤدي نقاط التلامس الأمامية إلى تكوين مناطق تركيز الإجهاد

تضع الخلايا الشمسية التقليدية قضبان التوصيل المعدنية وأصابع الشبكة الرقيقة مباشرة على السطح المواجه للشمس. وتؤدي هذه الموصلات الأمامية غرضاً مهماً، وهو جمع الكهرباء المولدة.

لكنها تخلق أيضاً نقاط ضعف ميكانيكية:

• معدن صلب على سيليكون هش. تعمل قضبان التوصيل كخطوط صلبة عبر مادة هشة. أي حمل ميكانيكي ناتج عن الثلج أو الرياح أو ضغط التركيب يركز الإجهاد على طول هذه الشرائح المعدنية.
• إجهاد اللحام. يتطلب توصيل الخلايا لحام الشرائط بقضبان التوصيل عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية. هذه الصدمة الحرارية تُحدث إجهادًا فوريًا، خاصة في الرقائق الرقيقة جدًا الشائعة الآن في التصنيع.
• تمدد حراري غير متساوٍ. تتعرض قضبان التوصيل الأمامية لدرجات حرارة غير متساوية تحت أشعة الشمس المباشرة، مما يخلق تدرجات حرارية عبر سطح الخلية. وتؤدي هذه التدرجات إلى نقاط إجهاد موضعية.

تُظهر الدراسات التي تستخدم تحليل العناصر المحدودة أن الإجهاد الحراري يتركز بشكل أساسي في معجون الفضة واللحام المجاور، مع أقصى إجهاد شد عند الزوايا الخارجية للحام. وهذه هي تحديدًا نقاط بدء انتشار الشقوق.

كيف تُزيل بنية الاتصال الخلفي نقطة الضعف

نقل جميع نقاط التلامس إلى الجانب الخلفي

إعادة تموضع خلايا الاتصال الخلفية كلاهما تتصل نقاط التلامس الكهربائية الموجبة والسالبة بالسطح الخلفي للخلية. أما الجانب الأمامي المواجه للشمس فيبقى نظيفًا تمامًا - مجرد سيليكون نقي مع طلاء مضاد للانعكاس.

يؤدي هذا التغيير المعماري البسيط إلى القضاء على آلية الفشل الأساسية

• لا توجد خطوط إجهاد معدنية على الجانب الأمامي. بدون قضبان التوصيل التي تعبر السطح الأمامي، لا توجد واجهات صلبة بين المعدن والسيليكون حيث تبدأ الشقوق عادة.
• لا توجد مناطق تمدد حراري موضعية. تتوزع حرارة ضوء الشمس بالتساوي على سطح السيليكون الأمامي.
• لا توجد نقاط ضعف في وصلات اللحام. تتطلب الخلايا ذات التلامس الأمامي لحام شرائط عبر السطح النشط، مما يخلق توترًا أثناء دورات التبريد والتسخين. أما خلايا التلامس الأمامي فتتخلص من مصدر الإجهاد هذا بالكامل.

توزيع متساوٍ للإجهاد عبر الخلية

تعمل تصميمات التلامس الخلفي على توزيع الإجهاد الميكانيكي والحراري بشكل أكثر تجانسًا. فبدلاً من تركيز الضغط عند نقاط التوصيل، تتوزع القوة على كامل السطح الخلفي.

★ تشير اختبارات الشركة المصنعة إلى أن خلايا BC يمكنها تقليل التشققات الدقيقة بنسبة 20-30% مقارنة بالتصاميم القياسية ذات التلامس الأمامي.

بالنسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية المرنة حيث يضيف إجهاد الانحناء تحديًا إضافيًا، يصبح هذا التحسين أكثر أهمية.

وصلات أقصر وأكثر مرونة

تتطلب الخلايا التقليدية شرائط تمتد من الجزء الخلفي لخلية إلى الجزء الأمامي للخلية التالية، مما يخلق توترًا ميكانيكيًا وإجهاد انحناء أثناء عملية الترقق.

تستخدم بنية BC وسادات خلفية ذات وصلات أقصر وموزعة بالتساوي. هذه الوصلات البينية:

• اركض بشكل مستقيم بدلاً من التقاطع من الخلف إلى الأمام
• تقليل عزم الانحناء على رقائق السيليكون الرقيقة
• يسمح بتعبئة الخلايا بكثافة أكبر دون تراكم الإجهاد
• تقليل الإجهاد التراكمي أثناء دورات التبريد والتدفئة

أداء حراري أفضل تحت الحمل

يقيس معامل درجة الحرارة مقدار انخفاض الكفاءة عند ارتفاع درجة حرارة الألواح الشمسية. تفقد الخلايا القياسية عادةً من -0.39% إلى -0.45% من إنتاج الطاقة لكل درجة مئوية فوق 25 درجة مئوية (تم قياسها في ظروف الاختبار القياسية).

تحقق خلايا التلامس الخلفي عالية الجودة معاملات تقارب -0.26% إلى -0.29%/°م. من الناحية العملية: تحافظ لوحة BC PV على إنتاج أعلى عندما ترتفع درجات الحرارة خلال ساعات ذروة الشمس.

للتوضيح: تُقدّم تقنية BC أداءً حراريًا ممتازًا مقارنةً بالخيارات التجارية الشائعة. بالنسبة للتركيبات في المناخات الحارة - مثل أسطح المركبات الترفيهية التي تتعرض لأشعة الشمس الحارقة في الصحراء، أو أسطح القوارب في المياه الاستوائية، أو أسطح المباني التجارية في الصيف - فإنّ هذه الميزة في الأداء تُترجم مباشرةً إلى زيادة في الطاقة المُستخرجة على مدار عمر اللوحة.

الميزة الكهربائية: تحمل أفضل للتشققات

مسارات التيار المتعددة تمنع العزلة

حتى عندما تحدث تشققات دقيقة (تذكر أن بعض التشققات أثناء التصنيع والنقل لا يزال من المستحيل تقريبًا القضاء عليها تمامًا)، فإن خلايا سرطان الثدي تتعامل معها بشكل أفضل.

تتميز تصميمات التلامس الخلفي بأنماط تلامس متشابكة على الجزء الخلفي. هذه الأنماط تخلق مسارات متعددة متوازية لتجميع التيار. إذا امتد الشق عبر منطقة واحدة، فسيظل بإمكان الكهرباء أن تتدفق عبر المسارات المجاورة.

قارن هذا بخلايا التلامس الأمامي: يمكن لشق يعبر قضيب التوصيل الأمامي أن يعزل كهربائياً مساحات كبيرة من الخلية فوراً. يتوقف هذا الجزء المعزول عن المساهمة في توليد الطاقة، وغالباً ما يصبح نقطة ساخنة مقاومة تستهلك الطاقة بدلاً من توليدها.

انخفاض خطر النقاط الساخنة

لا تقتصر وظيفة قضبان التوصيل الأمامية على إحداث إجهاد ميكانيكي فحسب، بل تتسبب أيضاً في تظليل بصري. إذ يحجب كل قضيب توصيل 2-5% من ضوء الشمس الوارد عن الوصول إلى السيليكون النشط.

تُزيل خلايا BC جميع التظليلات الأمامية، حيث يمتص السطح بأكمله الضوء بشكل متجانس. وهذا يُزيل أحد عوامل تكوّن البقع الساخنة ويُحسّن التوافق الكلي للتيار.

فوائد الموثوقية في العالم الحقيقي

عمر خدمة ممتد

تضمن الألواح الشمسية القياسية عادةً أداءً لمدة 25 عامًا. أما ألواح BC عالية الجودة فتمتد ضماناتها إلى أكثر من 30 عامًا لأن التكنولوجيا الأساسية تدوم لفترة أطول بالفعل.

يعني انخفاض عدد الشقوق الدقيقة ما يلي:

• معدلات تدهور أبطأ على مدى عقود
• انخفاض احتمالية الفشل الناتج عن النقاط الساخنة الناجمة عن الشقوق
• تحسين احتفاظ الطاقة الناتجة مع اقتراب نهاية فترة الضمان

انخفاض مطالبات الضمان وعمليات الاستبدال

بالنسبة للموزعين والمثبتين، تتسبب مطالبات الضمان في تكاليف حقيقية: أجور العمالة اللازمة للتشخيص، وتكلفة الحصول على ألواح شمسية بديلة، ووقت الطاقم اللازم لتبديل الوحدات، وفقدان ثقة العملاء.

إن تحسين الموثوقية الميكانيكية لتقنية BC يترجم مباشرة إلى:

• انخفاض حالات الأعطال المبكرة التي تتطلب الاستبدال
• انخفاض معدلات مطالبات الضمان نتيجة للتدهور المرتبط بالتشققات الدقيقة
• انخفاض تكاليف الخدمات اللوجستية لإدارة الألواح المعطلة

أداء أفضل في التطبيقات الصعبة

تواجه بعض المنشآت الشمسية ظروفاً قاسية بشكل خاص:

جودة التصنيع مهمة

لا توفر جميع الألواح الشمسية ذات "التلامس الخلفي" نفس مزايا الموثوقية. فجودة التصنيع هي التي تحدد ما إذا كنت ستحصل على مزايا أداء حقيقية أم مجرد ادعاءات تسويقية.

ما الذي تبحث عنه:

1. دقة التلامس بين الأصابع – تقنيات متقدمة لتشكيل الأنماط بالليزر وتقنيات التخميل الدقيقة
2. اختيار مواد التغليف – مواد تغليف عالية الجودة من نوع EVA أو POE ذات مرونة مناسبة
3. اختبار جودة صارم – التصوير الكهربائي الضوئي قبل وبعد التغليف، والتدوير الحراري بما يتجاوز معيار IEC 61215

قائمة التحقق من اختبار الجودة:

• التصوير بالتألق الكهربائي (EL) قبل وبعد التغليف
• اختبارات التدوير الحراري التي تتجاوز متطلبات معيار IEC 61215
• اختبار التحميل الميكانيكي الذي يحاكي الثلج والرياح وإجهاد التركيب

المواصفات الفنية للتحقق منها

عند تقييم ألواح BC لمشاريعك، انظر إلى ما هو أبعد من الادعاءات التسويقية:

الخلاصة: هندسة نقاط الضعف

لا يقتصر دور تصميم الخلايا ذات التلامس الخلفي على تحسين الألواح الشمسية بشكل تدريجي فحسب، بل إنه يعيد تصميم مكان وكيفية حدوث الأعطال بشكل جذري.

من خلال إبعاد نقاط التلامس الكهربائية عن السطح الأمامي المعرض للإجهاد، تتخلص خلايا سرطان الثدي من:

• تنشأ معظم الشقوق الدقيقة من واجهات المعدن والسيليكون
• يؤدي عدم تطابق التمدد الحراري إلى إجهاد الخلايا على مر السنين
• إجهاد وصلات اللحام الناتج عن التوصيلات الأمامية والخلفية
• يتم تشغيل النقاط الساخنة من تظليل قضيب التوصيل الأمامي

النتيجة: ألواح تدوم فعلاً لأكثر من 30 عاماً بدلاً من أن تتدهور قبل الأوان بسبب أعطال ميكانيكية يمكن تجنبها.

اتخاذ القرار الصحيح لمشاريعك

تستمر تكنولوجيا الطاقة الشمسية في التطور بسرعة. ويمثل التلامس الخلفي أحد أهم التحسينات في الموثوقية للتطبيقات التي تتطلب عمر خدمة طويل وأداءً ثابتاً.

لا يكمن السر في اختيار ألواح BC لكل مشروع، بل في مطابقة التكنولوجيا مع المتطلبات:

للتطبيقات البحرية، والمركبات الترفيهية، والمواقع النائية، أو التطبيقات بالغة الأهمية حيثما تبرر صعوبة الاستبدال أو متطلبات الموثوقية الاستثمار المتميز، فإن تقنية BC تقدم قيمة قابلة للقياس من خلال تقليل معدلات الفشل وإطالة عمر الخدمة.

للتركيبات السكنية والتجارية القياسية في المناخات المعتدلة، قم بتقييم ما إذا كانت تحسينات الموثوقية تبرر اختلافات التكلفة بالنسبة لاحتياجات عملائك المحددة.

للمشاريع التي تتطلب أقصى قدر من الكفاءة في مساحة محدودة أو من أجل الجماليات المتميزة، فإن مزيج الكفاءة العالية والمظهر النظيف الذي تقدمه شركة BC غالباً ما يثبت أنه يستحق الاستثمار.

هل لديك أسئلة حول تقنية التلامس الخلفي لمشاريع الطاقة الشمسية الخاصة بك؟

تتخصص شركة كولينرجي في حلول الطاقة الشمسية ذات التلامس الخلفي المصممة خصيصًا لتطبيقات الأعمال التجارية (B2B).

من الألواح الشمسية المرنة BC للاستخدام البحري والمركبات الترفيهية إلى الوحدات عالية الكفاءة للتركيبات ذات المساحة المحدودة.

يمكن لفريقنا الهندسي مساعدتك في تقييم ما إذا كانت تقنية BC مناسبة لمتطلبات مشروعك المحددة، والظروف المناخية، وأهداف الأداء.

📧 البريد الإلكتروني: info@couleenergy.com

📞 اتصل على +1 737 702 0119

دعونا نناقش كيف يمكن لبنية الاتصال الخلفي أن تقليل مطالبات الضمان و تحسين الموثوقية على المدى الطويل لتركيبات الطاقة الشمسية الخاصة بك.

الموارد المرجعية

[1] غرين، ماجستير، وآخرون. "جداول كفاءة الخلايا الشمسية (الإصدارات 64-67)."“ التقدم في مجال الخلايا الكهروضوئية: البحوث والتطبيقات, ، 2024-2025. التحقق من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) من كفاءات خلايا IBC القياسية بما في ذلك إنجاز LONGi البالغ 27.81% HIBC.
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/1099159x

[2] التقارير العلمية. "اختبار سريع لتأثير الشقوق على أداء الطاقة الناتجة للخلايا الشمسية والتشغيل الحراري." مجموعة نيتشر للنشر، 2022. دراسة محكمة من قبل النظراء توثق تأثير الشقوق الدقيقة على إنتاج الطاقة، وتوضح خسائر تصل إلى 2.5% للشقوق غير العازلة وأعلى بكثير في سيناريوهات عزل الخلايا.
https://www.nature.com/articles/s41598-022-16546-z

[3] المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST). "خصائص المواد المبردة: بيانات التمدد الحراري للسيليكون". وزارة التجارة الأمريكية. بيانات مرجعية موثوقة لمعاملات التمدد الحراري للسيليكون عبر نطاقات درجات الحرارة المختلفة، مما يحدد القيم القياسية المستخدمة في تحليل الإجهاد الحراري للخلايا الشمسية.
https://trc.nist.gov/cryogenics/materials/Silicon/Silicon.htm

[4] الوكالة الدولية للطاقة (IEA). "تقرير سلاسل التوريد العالمية للطاقة الشمسية الكهروضوئية". برنامج أنظمة الطاقة الكهروضوئية التابع للوكالة الدولية للطاقة، 2024. تحليل شامل لتطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية، واتجاهات التصنيع، وبيانات الأداء لتقنيات PERC وTOPCon وHJT وIBC بما في ذلك مقارنات معامل درجة الحرارة.
https://www.iea.org/reports/solar-pv-global-supply-chains

[5] إيتنر، يو، وآخرون. "الإجهاد الحراري والانفعال للخلايا الشمسية في الوحدات الكهروضوئية".“ وقائع المؤتمر الأوروبي للطاقة الشمسية الكهروضوئية, ، 2011. تحليل العناصر المحدودة الذي يوثق عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين التوصيلات النحاسية والسيليكون، مما يدل على تركيز الإجهاد عند وصلات اللحام وواجهات قضبان التوصيل.
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-21855-2_29

[6] معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE). "تقرير الخلايا الكهروضوئية 2024". مرجع شامل لتكنولوجيا الطاقة الشمسية يوثق اتجاهات الكفاءة ومعاملات درجة الحرارة ومعدلات التدهور وبيانات الأداء المقارنة لجميع تقنيات الخلايا الرئيسية بما في ذلك تحليل IBC المفصل.
https://www.ise.fraunhofer.de/en/publications/studies/photovoltaics-report.html

[7] إدارة المخاطر AJG. "التشققات الدقيقة في الوحدات الشمسية: الأسباب والكشف والوقاية". تحليل صناعي لآليات تكوين الشقوق الدقيقة، وطرق الكشف بما في ذلك اختبار التألق الكهربائي، وتأثيرها على موثوقية الوحدة على المدى الطويل ومطالبات الضمان.
https://www.ajg.com/us/news-and-insights/2020/jan/micro-fractures-in-solar-modules-causes-detection-and-prevention/