باحثون يتوصلون إلى تقنية جديدة لصنع خلايا شمسية رخيصة وفي متناول الجميع.. فما السر؟

الشمس من نعم الله الكبرى على البشرية، فهي النور والدفء، وهي أيضا أكبر مصدر للطاقة في الكون، ومع ذلك فإن تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء أمر مكلف للغاية من الناحية المادية، لأن التكنولوجيا المستخدمة حاليا في هذه العملية باهظة الثمن، وهو ما يجعل هذه الطاقة محصورة في فئة قليلة من البشر، على الأقل إلى وقت قريب جدا.

وفي الحقيقة، فإن الخلايا الشمسية المستخدمة في العالم حاليا ليست فعالة بدرجة كافية، فهي لا تستطيع تحويل كل الطاقة الشمسية التي تمتصها إلى كهرباء، وليست قريبة حتى من تحقيق هذا الهدف، وأكبر سلبياتها هو ثمنها المرتفع، فهذه الخلايا مصنوعة من مادة السيليكون الباهظة الثمن، حتى أن سعر الطاقة الشمسية أغلى من طاقة الرياح أو الطاقة المائية.

ويأتي حوالي 1% من الطاقة المستخرجة في العالم من الطاقة الشمسية، وذلك بحسب إحصائيات عام 2019 كما ذكر موقع “أور ورلد إن داتا” (ourworldindata)، وهذه في الحقيقة نسبة ضئيلة جدا، ويعود ذلك بالدرجة الأولى إلى التكلفة المادية العالية التي تتطلبها التكنولوجيا المستخدمة في إنتاج هذه الطاقة.

تكلفة مادية عالية

وفي الواقع، فإن 98% من الخلايا الشمسية في العالم مصنوعة من السيليكون، وهي التكنولوجيا الأكثر شيوعا لإنتاج الطاقة من الشمس، وقد شهدت هذه المادة ارتفاعا كبيرا في سعرها مؤخرا، حيث وصل ثمن الكيلوغرام الواحد منها إلى نحو 28 دولارا، وهو في ارتفاع مستمر كما ذكر موقع “سولار كوتس” (solarquotes) في تقرير له مؤخرا.

ويحتاج صنع لوح شمسي واحد إلى 1.3 كلغم من السيليكون بتكلفة تصل إلى 36.4 دولارا أميركيا، فإذا كان النظام الشمسي الواحد مكونا من 27 لوحا، فإن الثمن يبلغ 982 دولارا، فإذا أضفنا الضرائب وأجرة العمالة وتكاليف الإنتاج الأخرى فإن السعر سيصل إلى نحو 1500 دولار أميركي، وهذه كلفة عالية بكل المقاييس ولا يقدر عليها معظم البشر.

تقنية جديدة لصنع الخلايا الشمسية من النانوتكنولوجي

لحل هذه المشكلة، أعلن باحثون من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا الأسترالية مؤخرا عن توصلهم لتقنية جديدة لصنع خلايا شمسية رخيصة ومستدامة وفعالة وفي متناول الجميع، وذلك كما ذكرت منصة الجامعة التي نشرت الدراسة العلمية مؤخرا.

يقول العلماء إن هناك حاجة ملحة لتطوير بدائل أرخص وأكثر فعالية وصديقة للبيئة كذلك، ولتحقيق ذلك ابتكر العلماء مادة نانوية تجعل الخلايا الشمسية أكثر فعالية من الخلايا القائمة على السيليكون، وقد أطلق العلماء على هذه الخلايا الجديدة اسم “خلايا البيروفسكايت الشمسية” (Perovskite solar cells (PSCs)).

وهذه الخلايا الجديدة فعالة للغاية وسهلة الإنتاج، وقد تطورت بسرعة كبيرة خلال الفترة الماضية، إلا أنه لم يتم إنتاج كميات ضخمة منها قادرة على تغطية حاجة السوق بسبب بعض المشاكل التقنية التي كانت تعاني منها، ولكن العلماء الآن توصلوا لابتكار مادة نانوية متناهية الصغر قادرة على حل هذه المشاكل التي تعترض تطوير خلايا البيروفسكايت الشمسية، وتمكن من إنتاج كميات كبيرة منها قادرة على تغطية السوق خلال وقت قريب.

وقد وجد العلماء أن حقن هذه الخلايا بالمادة النانوية الجديدة -التي تعمل كمحفز لها- قد حقق الاستقرار الحراري لهذه الخلايا، وتقنية الحقن هي طريقة متقدمة لتحسين الخصائص الكهربائية للخلايا الجديدة.

كفاءة عالية للتقنية الجديدة

وأوضح البروفيسور جو شابتر الأستاذ المشارك في الدراسة أن “الخلايا المحقونة قد أظهرت كفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، بنسبة تجاوزت 21% مقارنة بالخلايا التي لم يتم حقنها بالمحفز النانوي، وهو الأمر الذي يعطي دفعة قوية لإنتاج ألواح شمسية مستدامة وفعالة، والأهم من ذلك أنها رخيصة الثمن وفي متناول الجميع.

ويؤكد شابتر “أن الطاقة القادمة من الشمس مجانية وهي لا تكلف شيئا على الإطلاق، ولكن جمعها وتحويلها إلى طاقة كهربائية أمر مكلف جدا، وهذا هو سبب أهمية الكفاءة في هذه العملية المعقدة، فإذا استطعنا تطوير ألواح شمسية أرخص وأكثر كفاءة، يمكننا عندها استخدام المزيد من الطاقة الشمسية، وهو ما سنراه قريبا جدا مع هذا الابتكار التكنولوجي الجديد”.

اقرأ أيضاً: ستسهم في تقدّم برنامج الفضاء.. عالمان تركيان يطوّران خلية شمسية من السيليكون

نجح عالمان تركيان في تطوير خلية شمسية من السيليكون باستخدام وسائل محلية، وهو ما سيسهم في تطوير برنامج الفضاء الناشئ في البلاد.

ومن المتوقع أن تقلل الخلايا الشمسية المرنة المستندة إلى السيليكون، المستخدمة في مجال الطيران والتقنيات العسكرية والفضائية، من ارتفاع تكلفة الخلايا التي تستخدم تقليديا من فلز ترسسينيد الغاليوم.

وسيتم استخدام الخلايا لتشغيل الأقمار الصناعية والفضاء والمركبات العسكرية.

العالمان هما البروفيسور أوغور سيرينجان، والأستاذ المشارك مصطفى كولاك جي من جامعة إسكي شهير التقنية (ESTÜ). وقد تلقى الثنائي منحة من مجلس البحوث العلمية والتكنولوجية في تركيا (Tübitak) قبل ثلاث سنوات لمشروعها.

وقد حصل الباحثان على براءة الاختراع، وفازا بأفضل جائزة في معرض اختراع دولي عقد في اسطنبول الشهر الماضي.

وصرح كولاك جي “لوكالة أنباء الأناضول” الأسبوع الماضي بأن السيليكون لديه تكنولوجيا الركيزة الأكثر تقدما والأرخص من ترسسينيد الغاليوم.

وأضاف أن الخلايا المبتكرة المعتمدة على السيليكون قدمت أداء جيدا ويمكنها التنافس بسهولة مع الخلايا القائمة على ىترسسينيد الغاليوم . ونحن نعتقد أننا فتحنا مكانا جديدا فعالا من حيث التكلفة في التقنيات الضوئية III-V ومن ثم ، للإنتاج الضخم “.

وقال كولاك جي إن ما يقرب من 90٪ من التكاليف في إنتاج الخلايا الشمسية ينبع من الركائز(substrate ).

وأبرز أنه توجد كميات محدودة من فلز الغاليوم في مركبات متنوعة في القشرة الأرضية، ويستخدم على نطاق واسع في القطاع الكهروضوئي لإلكترونيات الإلكترونيات والاتصالات السلكية واللاسلكية، وهو ما يؤدي إلى ارتفاع أسعاره، وقد أردنا حل هذه المشكلة.

من جانبه أشار البروفيسور سيريجان إلى أن مشروعهما قد يكون مفيدا لبرنامج الفضاء الوطني في تركيا.

واضاف أن “هذه تكنولوجيا ذات أهمية حاسمة، لأنها تستخدم في كل من الاستخدام المدني والعسكري. مشيرا إلى أن تقليل التكاليف يمكن أن يعزز استخدامها المدني “.

المصدر: مواقع إلكترونية