تحويل الألواح الشمسية القديمة إلى مواد كهربائية لتجميع الحرارة

تحويل الألواح الشمسية القديمة إلى مواد كهربائية لتجميع الحرارة

إعادة تدوير الألواح الشمسية (أسفل) ، الوحدات الكهروحرارية (أعلى).

هل يمكن أن ينقذنا هذا من تخمة النفايات الإلكترونية الشمسية؟

الألواح الشمسية هي قطع معقدة من التكنولوجيا التي تتحلل إلى صفائح ضخمة ضخمة من النفايات الإلكترونية في نهاية حياتها. فكر في الأمر: تتمتع الألواح الشمسية بعمر محدود يبلغ 30 عاما ، ولهذا السبب من المتوقع أن تصل النفايات العالمية من الألواح الشمسية المنتهية الصلاحية إلى 8 ملايين طن بحلول عام 2030 و 80 مليون طن بحلول عام 2050. 

لا يوجد لدى غالبية العالم حاليا خطة للتعامل مع قضية النفايات هذه ؛ ومع ذلك ، ربما تكون مجموعة من العلماء من وكالة العلوم والتكنولوجيا والبحوث (A * STAR) وجامعة نانيانغ التكنولوجية ، سنغافورة (NTU Singapore) قد وجدوا حلا سحريا لهذه المشكلة المتزايدة.

طور الباحثون تقنية جديدة يمكنها تحويل الألواح الشمسية منتهية الصلاحية إلى مادة كهروحرارية جديدة عالية الأداء تجمع الطاقة وتمتص الحرارة وتحولها إلى كهرباء ، وفقا لدراسة نشرت في مجلة Advanced Materials .

تحويل القيد إلى فرصة

للوصول إلى قلب هذه المشكلة ، تحتاج إلى معرفة بنية الخلايا الشمسية ، وهي اللبنات الأساسية للألواح الشمسية. تتكون الخلايا الشمسية من السيليكون والألمنيوم والنحاس والفضة والرصاص ومزيج معقد من مواد أخرى.

يعد إعادة تدوير هذه المواد بشكل فردي أمرا صعبا ، ولهذا السبب تركز إجراءات إعادة التدوير الحالية بشكل أساسي على هيكل الدعم الزجاجي والمعدني ، بينما ينتهي السيليكون - الذي يشكل 90 بالمائة من الخلايا الشمسية - في مدافن النفايات. لسوء الحظ ، يحتوي السيليكون المعاد تدويره على شوائب وعيوب تمنع استخدامه في صنع خلايا شمسية وظيفية ، وفقا لبيان صحفي.

في أحدث دراسة ، قرر الباحثون تحويل هذا القيد إلى فرصة وتحويل الخلايا الشمسية القديمة إلى مادة كهروحرارية محسنة. تستفيد هذه الطريقة من الخصائص المتباينة للكهرباء الحرارية من الخلايا الشمسية ، حيث يميل وجود الشوائب والعيوب إلى تحسين الأداء بدلا من تدهوره.

إنها مفيدة في تصنيع مكونات الطاقة المتجددة

لتحقيق ذلك ، استخدم الباحثون تقنية طحن الكرة لطحن الخلايا الشمسية إلى مسحوق ناعم ، مما سمح لهم بنقل الخصائص الكهروحرارية مثل تحويل الطاقة وكفاءة التبريد إلى السيليكون المهمل. بعد ذلك ، تمت إضافة الفوسفور ومسحوق الجرمانيوم لتغيير خواصهما الأصلية قبل معالجة خليط المسحوق باستخدام تلبيد بلازما شرارة عند درجة حرارة ودرجة حرارة عالية.

طور الباحثون عينة تتمتع بأفضل أداء كهروحراري محسّن ، مع رقم قياسي كهربائي حراري للجدارة (zT) يبلغ 0.45 عند 873 كلفن ، وهو الأفضل بين عناصر السيليكون الحرارية الكهروحرارية. هذا مهم للغاية لأن مثل هذه التقنيات يمكن أن تطيل دورة حياة المنتجات المختلفة وتقلل من النفايات لتنمية اقتصاد دائري.

"بالاستفادة من تقنيات استعادة الموارد لدينا وبالتعاون مع A * STAR ، أثبتنا أنه يمكن أن ينتج عنه مواد قيمة عالية الجودة ومفيدة في تصنيع مكونات الطاقة المتجددة ، وهو في هذه الحالة تطوير - أداء مادة كهروحرارية يمكنها حصاد الحرارة وتحويلها إلى كهرباء ، "قال المؤلف المشارك المشارك في NTU الأستاذ نريبان ماثيوز ، وهو مدير مجموعة مصادر الطاقة المتجددة وتوليد الكربون المنخفض في معهد أبحاث الطاقة.

ملخص الدراسة: 

بعد عقدين من التوسع السريع للخلايا الكهروضوئية ، يتزايد عدد الألواح الشمسية التي وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. في حين أن المعادن الثمينة مثل الفضة والنحاس يعاد تدويرها عادة ، فإن السيليكون ، الذي يشكل الجزء الأكبر من الخلايا الشمسية ، يذهب إلى مكبات النفايات. ويرجع ذلك إلى الطبيعة الحساسة للعيوب والشوائب في معظم التقنيات القائمة على السيليكون ، مما يجعل تنقية نفايات السيليكون أمرا غير اقتصادي. تمثل الكهروحرارية فئة نادرة من المواد التي يمكن فيها هندسة العيوب والشوائب لتحسين الأداء. وذلك لكونه أكثر حاملة للعيوب ، مما يجعله قابلا للعيوب والنجاسة. هنا ، يتم تمكين إعادة تدوير السيليكون من النفايات الكهروضوئية (PV) إلى الكهروحرارية. يتم ذلك عن طريق تعاطي المنشطات 1٪ Ge و 4٪ P ، مما ينتج عنه رقم الجدارة ( zT) من 0.45 عند 873 كلفن ، وهي أعلى نسبة بين الكهروحرارية القائمة على السيليكون. يمثل العمل جزءا مهما من اللغز في تحقيق اقتصاد دائري للخلايا الكهروضوئية والنفايات الإلكترونية.