تطوير خلايا شمسية زهيدة التكلفة تتحمل تقلبات الطقس المتطرف

على مدار السنوات الماضية، بُذلت مساعٍ كثيرة، لابتكار مواد جديدة بديلة للسيليكون، تكون أقل تكلفةً وتعطي الكفاءة نفسها، ويُعد السيليكون الأساس في صُنع الألواح الكهروضوئية حتى الآن، وخلال العقد الماضي، كانت خلايا البيروفسكايت الشمسية أحد البدائل المطروحة بقوة، باعتبارها مادةً شبه موصلة، تتمتع بكفاءة عالية في امتصاص الضوء وسهولة التصنيع ورخص التكلفة...

بقلم: محمد السيد علي

يتعاظم الاهتمام بالطاقة الشمسية عالميًّا، باعتبارها أحد أبرز مصادر الطاقة النظيفة، لكن تبقى الكلفة العالية لمادة السيليكون المُستخدمة في تصنيع الألواح الشمسية أبرز العوائق التي تقف أمام انتشارها بقوة، ناهيك بصعوبة إعادة تدويرها.

على مدار السنوات الماضية، بُذلت مساعٍ كثيرة، لابتكار مواد جديدة بديلة للسيليكون، تكون أقل تكلفةً وتعطي الكفاءة نفسها، ويُعد السيليكون الأساس في صُنع الألواح الكهروضوئية حتى الآن، وخلال العقد الماضي، كانت خلايا البيروفسكايت الشمسية أحد البدائل المطروحة بقوة، باعتبارها مادةً شبه موصلة، تتمتع بكفاءة عالية في امتصاص الضوء وسهولة التصنيع ورخص التكلفة.

لكن ما يعيب هذه المادة التي لا تزال في طور الاختبار حتى الآن، أن مكوناتها العضوية حساسة للغاية لاختلافات درجات الحرارة في الهواء الطلق، ما قد يؤدي إلى سرعة تلفها، مقارنةً بخلايا السيليكون التي يصل عمرها إلى 25 عامًا.

وفي محاولة للتغلُّب على هذه العقبة، نجح فريق بحثي دولي، بمشاركة باحث مصري، في تطوير طريقة لإنتاج خلايا البيروفسكايت الشمسية، بصورة تجعلها تتحمل ظروف درجات الحرارة القاسية وتقلباتها، بين 60 تحت الصفر، و80 درجة مئوية.

وأوضح الفريق في الدراسة المنشورة في العدد الأخير من دورية "ساينس" (Science) أن الطريقة الجديدة يمكن أن توفر لهذه الخلايا ثباتًا حراريًّا يجعلها تتحمل التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة، وهو شيء تفتقر إليه حاليًّا، مقارنةً بخلايا السيليكون التقليدية.

ما فعله الفريق البحثي هو إضافة مادة من البوليمر أسهمت في تحقيق استقرار أفضل لطبقة البيروفسكايت الرقيقة في هياكل الخلايا الشمسية المختلفة، والتي عادةً ما تكون أقل كفاءةً من المعتاد، خاصةً في ظل ظروف الطقس المتطرف، المادة المضافة عبارة عن جزيئات قطبية تشغلها ثنائيات أقطاب متناوبة، تلتف حول بلورات البيروفسكايت الدقيقة لتكوِّن غشاءً رقيقًا حولها أشبه بغلاف ناعم، ما يوفر حمايةً ضد الإجهاد الميكانيكي الحراري.

"يمكن للشمس أن تُسخّن الجزء الداخلي للخلية الكهروضوئية التي تمتص الحرارة والضوء إلى 80 درجة مئوية، خاصةً في فصل الصيف نهارًا، وخلال ساعات الليل، تتأثر هذه الخلايا بدرجة حرارة الجو التي قد تصل إلى 15 تحت الصفر في فصل الشتاء، خاصةً في بعض المناطق الجبلية، وهذا يؤدي إلى ضغوط ميكانيكية كبيرة في الطبقة الرقيقة من البلورات الدقيقة من البيروفسكايت، ما يؤدي إلى حدوث عيوب تُفقدها جودتها"، وفق محمود الدماصي، باحث دكتوراة مصري، في معهد هيلمهولتز برلين للطاقة والمواد بألمانيا، شارك في الدراسة.

أضاف "الدماصي" -في حديثه لـ"للعلم"- أن إحدى أبرز المميزات التي يجب أن تتوافر في المادة المستخدمة كخلايا كهروضوئية هي الثبات الحراري، وكلما كان الثبات أوسع زادت كفاءة تحمُّل تقلُّبات الطقس القاسية، وهو الحال في الخلايا الجديدة.

وأوضح أن النقطة الأخرى المهمة في نتائج البحث، هي الكفاءة العالية للخلايا التي تم إنتاجها معمليًّا، إذ وصلت إلى 24.6٪، وهذا يعني أنها تُحوّل 24.6٪ من الضوء الساقط عليها إلى تيار كهربائي، وهي نسبة قريبة للغاية من الرقم القياسي العالمي المسجل لكفاءة هذا النوع من الخلايا وهو 25.7%.

الثبات الحراري للخلايا الشمسية

يمثل الثبات الحراري محددًا رئيسيًّا في العُمر التشغيلي للخلايا الشمسية، فكلما كانت أكثر ثباتًا، انخفض معدل تراجُع كفاءتها بمرور السنوات.

وبما أن خلايا البيروفسكايت الشمسية لا تزال في طور التجارب المعملية، ولم تتحول بعدُ إلى الإنتاج التجاري، ولم يتم قياس معدل ثباتها في الظروف العادية، أسوةً بخلايا السيليكون، فإن العلماء يلجأون إلى تسريع عملية إهلاك الخلايا عن طريق تعريضها للإضاءة المستمرة ودرجات حرارة ومستوى رطوبة مرتفع.

يقول "الدماصي": "بما أننا لن ننتظر سنوات حتى نقيس ثبات الخلايا الشمسية، قررنا استخدام "اختبارات الثبات المُسرّعة" بوضع الخلايا تحت أجهزة ضوئية تحاكي ضوء الشمس على مدار 24 ساعة دون انقطاع، فيما يسمى بـ"النقع الضوئي"، وتكون تحت أقصى درجات حرارة (65 درجة) ورطوبة مُمكنة (85%)، عند إخضاع الخلايا الجديدة لهذا الاختبار لمدة 1000 ساعة، تبين للفريق أنها احتفظت بثباتها الحراري بنسبة بلغت 96٪، ما يعادل تشغيلها في الظروف الطبيعية لمدة عام كامل، وفق "الدماصي".

وأشار إلى أن فرق البحث الأخرى التي عملت على تطوير هذه الخلايا اهتمت بشكل أساسي بنسب الكفاءة، لكن فريقنا ركّز على اختبار الثبات الحراري لهذه الخلايا في ظروف الطقس المتطرف، ونجح في تحقيق معدل كفاءة يقارب النسب العالمية، ونسب ثبات حراري مرتفعة للغاية.

"نتائج هذا البحث القيّم تُعَدُّ خطوةً تفتح المجال أمام تطوير خلايا بيروفسكايت شمسية تستطيع منافسة خلايا السيليكون التقليدية"، وفق عبد الرحمن جمال، باحث مساعد بمعهد بحوث البترول في مصر، وباحث زائر بمعهد علوم المواد الوطني باليابان.

وأضاف لـ"للعلم" أن الفريق ركّز على إضافة نوع من البوليمرات يُطلى على طبقة خلايا البيروفسكايت من الخارج، ما يجعلها تتحمل درجات الحرارة المتطرفة، وهذا يعالج أحد أكبر العيوب التي تعاني منها هذه الخلايا، وهو عدم الثبات في ظل ظروف درجات الحرارة المختلفة.

وأوضح أن احتفاظ الخلايا الجديدة بثباتها الحراري بنسبة 96٪ لمدة 1000 ساعة مبشرٌ للغاية، وكذلك الكفاءة العالية للخلايا، كل ذلك يمهد الطريق لإمكانية الاعتماد عليها في المستقبل بدلًا من السيليكون.

ووافقه الرأي أحمد مرتضى السمان، أستاذ باحث مساعد، بمركز بحوث وتطوير الفلزات في مصر، مضيفًا: رغم كثرة الأبحاث التي أُجريت من قبل على خلايا البيروفسكايت، فإن ما يميز هذه الدراسة عن غيرها أن الفريق ركّز على فكرة اختبار الثبات الحراري للخلايا في أقصى درجات الحرارة والبرودة الممكنة، ما رفع من قيمة النتائج، وجعلها تُنشر في دورية مرموقة مثل "ساينس".

وفي تصريحات لـ"للعلم"، أوضح أن المادة التي أضافها الفريق إلى الخلايا ساعدت على إكساب خلايا البيروفسكايت ثباتًا حراريًّا في ظل ظروف الطقس الصعبة، وفي الوقت نفسه لم تؤثر على كفاءة الخلايا، وهذه إضافة علمية كبيرة للفريق.

الأمل في خلايا البيروفسكايت

آمال كبيرة تُعقد على خلايا البيروفسكايت في الحصول على المزيد من الطاقة الشمسية بتكاليف أقل، نظرًا لخواصها البصرية والمغناطيسية والإلكترونية المتميزة، التي تُكسبها كفاءةً في امتصاص الضوء، ونقل الشحنات، وهي خصائص مثالية لامتصاص الطاقة الشمسية، وتحقيق كفاءات أعلى بكثير من تلك الموجودة في خلايا السيليكون.

لإنتاج الطاقة الشمسية، تعتمد الخلايا الكهروضوئية عادةً على أشباه الموصلات مثل السيليكون، لتحويل الطاقة من الضوء إلى كهرباء، إذ يثير الضوء المنبعث من الشمس الإلكترونات في مادة أشباه الموصلات، وتتدفق إلى أقطاب موصلة وتنتج تيارًا كهربائيًّا.

ومنذ خمسينيات القرن الماضي، يعتبر السيليكون هو مادة أشباه الموصلات الأساسية المستخدمة في الخلايا الشمسية، لكن بلوراته الكبيرة المستخدمة في الألواح الشمسية التقليدية تتطلب عملية تصنيع باهظة الثمن ومتعددة الخطوات، تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، لذلك وجد العلماء في خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية أملًا لإنتاج أشباه موصلات زهيدة التكلفة وسهلة التجميع، لها خصائص مشابهة للسيليكون.

في حين أن خلايا السيليكون مكونة من مواد غير عضوية (تُستخرج من الرمال)، فإن خلايا البيروفسكايت تجمع بين مكونات غير عضوية وأخرى عضوية شائعة، تشمل في الأغلب ميثيل الأمونيوم، والفورماميدينيوم، وكلاهما من المركّبات التي تجمع بين الكربون، والهيدروجين، والنيتروجين.

وتنتج الطاقة الشمسية من خلايا السيليكون عبر تقطيعها إلى شرائح دقيقة لإنتاج الألواح الشمسية، في حين تتوافر خلايا البيروفسكايت في صورة مادة سائلة، يمكن طباعتها على الزجاج، أو على غشاء رقيق على امتداد مساحة تقدَّر بعدة سنتيمترات مربعة.

إحدى أبرز مزايا خلايا البيروفسكايت مقابل السيليكون هي سهولة تصنيعها، كما يقول "الدماصي": "خلايا البيروفسكايت شديدة البساطة مقارنةً بالسيليكون، وهي عبارة عن مواد بسيطة للغاية تُذاب لتتحول إلى محلول يشبه "الحبر"، يمكن طباعته على الأسطح المختلفة".

وأضاف: "توافُر هذه المادة في صورتها السائلة يعطينا سهولة كبيرة في الصناعة وتصميم الخلايا، لا تجعلنا نتقيد بالأسطح الزجاجية فقط كما هو الحال مع خلايا السيليكون التقليدية، لكنها تتيح إمكانية طباعتها على أسطح مرنة، وبالتالي يمكن تطبيقها على الأسطح المنحنية أو واجهات المنازل أو هيكل السيارات الخارجي، بالإضافة إلى أنها شبه شفافة ومنفذة للضوء، وبالتالي يمكن وضعها على الزجاج الخارجي للمنازل أو السيارات".

ويتابع: هناك ميزة ثالثة، وهي أن هذه البيروفسكايت تعتبر مادة هجينة، تجمع بين المكونات العضوية وغير العضوية، وبالتالي يمكن التحكم في تركيبها الكيميائي، لتغيير خواصها الضوئية، وجعلها مصممة لتكون خلايا يتم تركيبها داخل المباني وفي الغُرف، لتمتص ضوء الشمس بشكل غير مباشر، كما تمتص ضوء المصابيح أيضًا لتُنتج منه الكهرباء، وهذا لا يتوافر في السيليكون.

ميزة أخرى هي انخفاض التكلفة، وفق "الدماصي"، إذ إن هذا المحلول السائل يُحضّر معمليًّا من مواد كيميائية نقية، كما أن صورتها السائلة تجعل قابلية الهدر في المواد في أثناء الطباعة شبه معدومة.

سهولة تكنولوجيا التصنيع وتوافرها على نطاق واسع، وتوافر خطوط إنتاجها بأسعار معقولة، يُعد أيضًا ميزةً إضافيةً في خلايا البيروفسكايت، تجعلها تنتقل بصورة أسرع إلى البلدان النامية والفقيرة، وذلك يعطينا أملًا كبيرًا في انتشار هذه الخلايا بصورة أوسع لإنتاج طاقة نظيفة، وفق "الدماصي".

في المقابل وضّح "الدماصي" سر ارتفاع تكلفة إنتاج خلايا السيليكون التي تحتاج إلى طرق مُعقّدة للغاية للتحضير، بدايةً من أنواع الرمال ذات درجة النقاء الشديدة، بعد ذلك يدخل في سلسلة أخرى من عمليات التنقية الكيميائية والفيزيائية تتطلب كميةً عاليةً للغاية من الطاقة، حتى يصل إلى درجة نقاء 99.9999%، وهذا يجعله أنقى مادة من صُنع الإنسان، ثم تتم بلورته فى بللورات أحادية ضخمة يمكن أن يصل طول الواحدة منها إلى مترين، تُقطّع بعد ذلك إلى شرائح رقيقة للغاية، لكن ما يعيبها أن عملية التقطيع تُهدر 90% من حجم البللورة، وتتطلب إعادة صهر هذه الخلايا المُهدرة عملية تصنيع أخرى تحتاج إلى المزيد من الطاقة.

تحديات تعرقل الإنتاج التجاري

رغم مرور حوالي عقد من الزمان على ظهورها، لا تزال خلايا البيروفسكايت في طور العمل، ولم تخرج إلى السوق لمنافسة خلايا السيليكون التقليدية، ولطرح خلايا البيروفسكايت في السوق، يجب أن تنافس خلايا السيليكون التقليدية أو تتفوق عليها، من حيث تكلفة إنتاج الكهرباء والثبات الحراري.

وبشكل عام، يتم قياس جدوى الخلايا الشمسية، بعد احتساب سعر إنتاج الكيلو واط من الكهرباء، وبناء على سهولة تصنيعها، وتوافُر مكوناتها، اعتبر "الدماصي" أن خلايا البيروفسكايت تعتبر أرخص من السيليكون؛ لأن تكلفة الكيلوواط تبلغ حوالي من 2 إلى 3 سنتات، مقابل 5 سنتات للسيليكون.

لكن في المقابل، هناك تحدٍّ رئيسي يقف أمام خروج خلايا البيروفسكايت إلى النور، وهو الثبات الحراري الذي يسرِّع عمر هذه الخلايا مقارنةً بالسيليكون.

ووفق النتائج، يمكن لخلايا البيروفسكايت أن تستمر 8 آلاف ساعة متواصلة وفق "اختبارات الثبات المُسرّعة"، وهي مدة كافية للاستمرار من 8 إلى 10 سنوات تقريبًا وفق ظروف التشغيل الطبيعية، ما يجعلها الآن بعيدةً عن منافسة خلايا السيليكون التي يتراوح عمرها بين 20 إلى 25 سنة.

"الدماصي" لفت الانتباه إلى أن ما يعوق الإنتاج التجاري حتى الآن أيضًا، أن تصنيع خلايا شمسية تعتمد على مادة البيروفسكايت هي عملية مُعقّدة؛ لأن كل حديث العلماء يدور حاليًّا حول مادة البيروفسكايت التي تمتص الضوء فقط، لكن لتحويل هذه المادة إلى خلايا شمسية، نحتاج إلى طبقات مختلفة من المواد، بالإضافة إلى عملية تثبيت كيميائي لهذه المادة، وفهمٍ أفضل لخواصها الفيزيائية التي تُسهم بشكل أساسي في سرعة تدمير هذه الخلايا مقارنةً بالسيليكون.

وأضاف: "من التحديات الرئيسية التي تقف في طريق تطوير معدل ثبات تلك التكنولوجيا الواعدة ما يسمى هجرة ذرات الهالوجينات، إذ تحتوي بلوراتها على ذرات من عنصر هالوجيني –وهو اليود غالبًا- ولكن مع ظروف التشغيل تترك تلك الذرات مواقعها البللورية وتتحرك داخل التركيب البلوري للمادة، ما يؤدي إلى تسريع عملية الإهلاك وقصر عمر الخلية، كما يؤثر على كفاءتها الكهروضوئية".

وفي حال إيجاد حلول عملية لهذه المشكلة، فإننا يمكن أن نزيد من الثبات الحراري لهذه الخلايا بحدود من 12 إلى 15 سنة، وحينئذٍ يمكن لخلايا البيروفسكايت أن تنافس السيليكون، وتوقع "الدماصي" أن تتحول خلايا البيروفسكايت إلى الاستخدام التجاري في غضون 5 سنوات من الآن.

ورأى أن "الشواهد السابقة تمنحنا أملًا في تحسُّن الثبات الحراري لخلايا البيروفسكايت، لأن هذه الخلايا تتطور بصورة سريعة للغاية، وهي في تحسُّن مستمر، وكلما فهم العلماء الطبيعية الفيزيائية والكيميائية للمادة، زاد عمرها الافتراضي.

وقال: "أذكر أنه قبل 5 سنوات حينما بدأت رسالة الدكتوراة، نشر مجموعة من العلماء بحثًا في دورية "نيتشر" حول نجاح ثبات خلية بيروفسكايت لمدة 1000 ساعة، في حين وصلنا حاليًّا من 8 إلى 10 آلاف ساعة بعد حوالي 10 سنوات على تطويرها".

"وإذا نظرنا إلى خلايا السيليكون، نجد أنها استغرقت 20 عامًا من الأبحاث حتى يصل ثباتها إلى 20%".

وأشار "السمان" إلى أن عملية الاختبار الحقيقي لخلايا البيروفسكايت، بعيدًا عن المعمل، انطلقت بالفعل عن طريق شركتين كبيرتين في المجال، إحداهما تابعة لأستاذ الفيزياء في جامعة أكسفورد البريطانية، هنري سنيث، وذلك في محاولة لاستكشاف الثبات الحراري لهذه الخلايا في ظل ظروف الطقس الطبيعية، تمهيدًا لطرحها على المستوى التجاري.

وأشار إلى أنه لا يزال من المبكر جدًّا أن تصبح خلايا البيروفسكايت بديلًا حقيقيًّا لخلايا السيليكون، لكن من المتوقع أن يحدث ذلك بحلول 2030-2035، وفق بعض المتخصصين في المجال.

وتابع أن الجديد في هذا المجال حاليًّا، أن هناك عدة فرق بحثية تعكف على تطوير خلايا هجينة من البيروفسكايت والسيليكون، وهذه الخلايا وصلت كفاءتها في الاختبارات من 26 إلى 27%، وهذه الخلايا من المتوقع أن تصل إلى الاستخدام التجاري بصورة أسرع من خلايا البيروفسكايت بمفردها.