أنواع جديدة من الخلايا الشمسية: إمكانات البيروفسكايت

على مشارف مدينة براندنبورغ آن دير هافيل بألمانيا، يقع مصنع يعد بإحداث ثورة في مستقبل الطاقة الشمسية. وهناك تنتج شركة Oxford PV البريطانية خلايا شمسية تستخدم البيروفسكايتوهي مادة يعتبرها الكثيرون أساسية لمستقبل الطاقة الشمسية. وتمثل هذه الخلايا نوعًا جديدًا من التكنولوجيا المعتمدة على البيروفسكايت، والتي يمكن أن تغير مشهد الطاقة المتجددة.

مصنع تقنيات الطاقة الشمسية

يحيط بمصنع أكسفورد للطاقة الكهروضوئية منطقة ريفية هادئة، ولكن في الداخل، يتم تطوير الابتكارات التي يمكن أن تحول إنتاج الطاقة الشمسية. ويصف كريس كيس، كبير مسؤولي التكنولوجيا في الشركة، المكان بأنه "تحقيق أعمق تطلعاتي".

وقد وضعت شركة Oxford PV، إلى جانب شركات أخرى مثل QCells، ثقتها في تكنولوجيا البيروفسكايت. وقد أظهرت هذه المادة الكهروضوئية، الرخيصة نسبيا وسهلة الحصول عليها، إمكانات كبيرة في تحسين كفاءة الألواح الشمسية. وفي الواقع، من المتوقع أن تدخل الألواح الشمسية التجارية المزودة بخلايا البيروفسكايت السيليكونية إلى السوق في العام المقبل.

أما بالنسبة للشركات الأخرى في هذا المجال، فقد أعلنت شركة Hanwha QCells عن نيتها استثمار 100 مليون دولار في خط إنتاج للخلايا الشمسية الترادفية، التي تدمج السيليكون والبيروفسكايت، وهي التكنولوجيا التي سيتم تشغيلها بحلول نهاية عام 2024. وهذا يدل على أن العلامات التجارية الكبرى الرهان بشكل كبير على هذا الابتكار.

نوع جديد من الخلايا الشمسية بتقنية البيروفسكايت

الأمر المذهل في الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت هو قدرتها على التقاط كمية أكبر من ضوء الشمس مقارنة بخلايا السيليكون التقليدية. وذلك من خلال دمج المادتين، من خلال ما يعرف ب الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب، يمكن زيادة كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية. وفي حين أن خلايا السيليكون الشمسية وحدها يمكن أن تصل إلى كفاءة تصل إلى 26%، فإن خلايا البيروفسكايت الترادفية تتجاوز هذا الحد بسهولة، فتحقق ما يصل إلى 31,6%، كما أظهر معهد فراونهوفر مؤخراً.

تتمتع الخلايا الترادفية بميزة التقاط نطاق أكبر من الأطوال الموجية الشمسية. وهذا يسمح بإنتاج طاقة أعلى بنسبة تصل إلى 20% مقارنة بخلايا السيليكون التقليدية. ومع ذلك، فإن التكلفة الأولية للبيروفسكايت لا تزال تشكل تحديًا، على الرغم من أن مؤيدي التكنولوجيا يشيرون إلى أنه في المناطق الحضرية الكثيفة أو المجمعات الصناعية حيث الأراضي محدودة، فإن زيادة توليد الكهرباء سوف تعوض بسرعة النفقات الإضافية.

تأثير النوع الجديد من الخلايا الشمسية البيروفسكايت

تأثير هذه التكنولوجيا كبير. وعلى عكس خلايا السيليكون، يمكن تصنيع خلايا البيروفسكايت في درجات حرارة أقل بكثير، مما يقلل من تكلفة الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك، فهي أكثر مرونة وأخف وزنًا، ويمكن تطبيقها على أسطح أكثر تنوعًا، مثل الشرفات أو حتى إطارات النوافذ.

ومن المتوقع أن يحتاج سوق الطاقة الشمسية إلى ما يصل إلى قدرة 75 تيراواط سيتم تركيبها بحلول عام 2050 مقارنة بالقدرة الحالية البالغة 1,2 تيراواط. وعلى الرغم من التقدم في البيروفسكايت، إلا أن التحدي يظل يتمثل في مدى متانتها. ومع ذلك، فإن التقدم المهم في المواد والمعالجات السطحية، مثل التخميل، تعمل على تحسين استقرارها على المدى الطويل بشكل كبير.

على سبيل المثال، وجد الباحثون أن التخميل باستخدام أمينوسيلان يمكن أن يحسن كفاءة خلايا البيروفسكايت واستقرارها التشغيلي. بفضل هذه المعالجات، أصبح من الممكن الاحتفاظ بما يصل إلى 95% من الكفاءة الأصلية بعد 1.500 ساعة من الاستخدام في الظروف القاسية.

السجلات في الكفاءة

تطورت خلايا البيروفسكايت الشمسية بسرعة كبيرة. وبينما كانت في عام 2009 بالكاد تستطيع تحويل 3,8% من ضوء الشمس إلى طاقة، فإن الإصدارات الحالية تصل بالفعل إلى كفاءة تصل إلى 26,1%، وحتى 31,6% في شكلها المترادف مع السيليكون، كما ذكرنا من قبل.

بالإضافة إلى ذلك، تقوم بعض المختبرات حول العالم باستكشاف إصدارات أكثر تقدمًا من هذه الخلايا، مثل الخلايا جنبا إلى جنب مع البيروفسكايت والبيروفسكايتوالتي تستغني تماماً عن السيليكون، والتي حققت بالفعل كفاءة تصل إلى 28,49%. وفي حين أن هذه الإصدارات لا تزال قيد التطوير، إلا أنها توفر إمكانية توليد طاقة أكبر بفضل قدرتها على التقاط أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي بمواد أرخص بكثير من السيليكون.

ومن الناحية العملية، فإن هذه التطورات لا تدفع الحدود التقليدية للخلايا الشمسية فحسب، بل يمكن أن تقلل من التكلفة الإجمالية لهذه التقنيات، مما يجعلها أكثر سهولة ومرونة لمجموعة واسعة من التطبيقات. وهذا هو المفتاح للاعتماد الشامل للطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم.

مع كل هذه الابتكارات، وعلى الرغم من أنه لا تزال هناك تحديات يتعين حلها، مثل التحلل بسبب الرطوبة أو الحرارة، فإن البيروفسكايت في طريقه إلى إحداث ثورة حقيقية في صناعة الطاقة المتجددة. إذا كان التقدم في المتانة يمكن أن يضاهي التقدم في الكفاءة، فمن المرجح أن تتفوق البيروفسكايت على التقنيات الحالية وتغير بشكل جذري الطريقة التي يستهلك بها العالم الطاقة الشمسية.

ومع استمرار هذه التكنولوجيا في تحطيم الأرقام القياسية تلو الأخرى، ليس هناك شك في أننا على أعتاب عصر جديد للطاقة الشمسية، عصر ستكون فيه الطاقة النظيفة أكثر كفاءة، ويمكن الوصول إليها وقابلة للحياة من أي وقت مضى.