علماء يكشفون عن تطوير ألواح شمسية بكفاءة غير مسبوقة من خلايا البيروفسكايت

بات السعي للحصول على الطاقة بشتى أنواعها هم العلماء والباحثين وشغلهم الشاغل في سبيل الفوز بالتجربة الأفضل.

وأصبح الاعتماد على الخلايا الضوئية الشمسية متاحاً في الكثير من الدول حول العالم.

قام باحثون مؤخراً في مركز سبيسيفك للابتكار والمعرفة بجامعة سوانسي في المملكة المتحدة، بتطوير أول خلايا شمسية ضوئية من البيروفسكايت قابلة للطباعة بالكامل في العالم من حبر كربون منخفض التكلفة، ويمكن إنتاجها بكفاءة عالية.

إن رفع كفاءة الخلايا الشمسية وخفض تكاليف الإنتاج، مقصدان أساسيان للعلماء للمساعدة على نشر منظومات الطاقة الشمسية حول العالم.

وعلى الرغم من وجود السيليكون، فإن العلماء وجدوا في خلايا البيروفسكايت كفاءة أعلى، وأصبحت تقنيات الطاقة الشمسية القائمة على البيروفسكايت هي الجيل التالي من الخلايا الشمسية، والتي تساعد على الحصول على طاقة أنظف وأكثر اخضراراً.

لماذا البيروفسكايت؟

البيروفسكايت أساساً هو أوكسيد التيتانيوم والكالسيوم المعدني، وهي مادة ذات تركيب بلوري مميز، لكن الآن يُطلق اسم البيروفسكايت على عدة عناصر مختلفة، يمكن دمجها معاً لتشكيل تركيب بلوري مشابه لأوكسيد التيتانيوم والكالسيوم المعدني، وبالتالي الحصول على مواد لها مجموعة متنوعة من الخصائص الفيزيائية والضوئية والكهربائية.

استفاد العلماء من هذه الخواص لإنشاء أشباه موصلات لها خصائص مشابهة للسيليكون، وتمكّنوا من تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية باستخدام تقنيات ترسيب مضافة بسيطة، مثل الطباعة، مقابل جزء بسيط من التكلفة والطاقة.

وبسبب المرونة التركيبية للبيروفسكايت، أمكن ضبطها لتتناسب بشكلٍ مثالي مع طيف الشمس.

مركز سبيسيفك للابتكار والمعرفة

يتبع العلماء 3 مسارات بهدف تطوير خلايا البيروفسكايت: استراتيجيات تغليف جديدة لحماية البيروفسكايت من العوامل البيئية، وتكييف “أحبار” البيروفسكايت مع أساليب الطباعة ذات الحلول واسعة النطاق، واستكشاف بدائل عن الرصاص السام الذي يُغلف خلية البيروفسكايت.

وفي هذه الدراسة، تمكن الباحثون من حل مشكلة تتعلق في أحبار الطباعة.

تطور جديد في أحبار الطباعة

تمت محاولة إنتاج البيروفسكايت على نطاق واسع باستخدام تقنيات الطباعة، لكن لم يتم تطوير خلايا بيروفسكايت يمكن لفها بشكل أسطواني بكفاءة، إذ واجهت العديد من العقبات، أهمها القطب الكهربائي الذهبي الذي هو أحد أهم مكوناتها الأساسية، فصناعته تحتاج إلى تطبيق عملية تبخر مكلفة، ويحتاج إلى وقت طويل كي يجف بعد الطباعة، ما يمنع زيادة الإنتاج.

لذلك، بحسب الدراسة المنشورة في دورية أدفانسد ماتيريالز، بحث العلماء عن بديل مناسب للقطب الكهربائي الذهبي، وباستخدام تحليل حيود الأشعة السينية، وجدوا أن حبر القطب الكربوني هو المذيب المناسب لتحقيق التجفيف دون إذابة الطبقة الأساسية.

قال الدكتور ديفيد بينون، كبير الباحثين في معهد سبيسيفك: “كان المفتاح هو تحديد مزيج المذيب الصحيح”، وأضاف: “يمكن تطبيق هذه الطبقة المبتكرة بشكلٍ مستمر ومتوافق مع الطبقات الأساسية عند درجة حرارة منخفضة وبسرعة عالية”.

كفاءة في العمل وقدرات إنتاجية أعلى

بعد تصنيع الخلايا الشمسية المجهزة بقطب الكربون، أجرى الباحثون اختبارات إضافية عليها أثبتوا من خلالها أن أداء الخلايا الكهروضوئية على ركيزة زجاجية صلبة كان مشابهاً لأداء أقطاب الذهب المتبخرة بكفاءات تحويل طاقة بنسبة 13-14%، وأظهر استقراراً على المدى الطويل أيضاً.

استمر الباحثون بتطوير هذه الخلايا، حتى تمكنوا من إيجاد طريقة تمكّنهم من إنتاج خلايا بيروفسكايت بطول 20 متراً، يمكن لفها على بعضها بشكل أسطواني، وبالتالي كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 10.8%.

عقّب الباحث ما بعد الدكتوراة في الجامعة إرشيد بارفازيان قائلاً: ​​”في أربع سنوات فقط، تم تصميم وصنع هذه الطريقة المبتكرة للطاقة الكهروضوئية، وتقييمها وتحليلها بالتفصيل، وتكيّفها وتحسينها، ما يجعل إمكانية طباعة وتركيب ملايين الأمتار من الخلايا الشمسية في جميع أنحاء العالم أقرب من أي وقت مضى”.

وقال رئيس أبحاث الخلايا الكهروضوئية، البروفيسور تريستان واتسون: “القدرة على إنتاج جهاز يعمل بشكلٍ كامل في خط الإنتاج تجعل التصنيع بكميات كبيرة أسهل واقتصادياً أكثر وهي خطوة كبيرة نحو تسويقها”.

وبنفس طريقة تركيب الألواح الشمسية، سيتم تركيب الخلايا الجديدة، واختبارها عن طريق تثبيتها على المباني.

المصدر: إم آي تي تكنولوجي ريفيو