تتسارع الأبحاث العلمية حول خلايا البيروفسكايت الشمسية بصفتها واحدة من أكثر تقنيات الطاقة المتجددة وعداً؛ نظراً لما تتمتع به من قدرة عالية على امتصاص الضوء وتحويله كهرباء بكفاءة كبيرة، إضافة إلى انخفاض تكلفة تصنيعها مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون.
وتعتمد هذه الخلايا على مركبات كيميائية بلورية تُعرف باسم «بيروفسكايت»، ويمكن إنتاجها على أسطح مرنة وخفيفة الوزن؛ ما يتيح تطبيقها في أشكال وتصاميم متنوعة. ورغم مرونتها وسهولة تصنيعها، لا تزال كفاءتها التشغيلية أقل من الألواح السيليكونية المتقدمة. ويُعدّ الاستقرار طويل الأمد أحد التحديات الرئيسية أمام اعتمادها التجاري على نطاق واسع. ومع ذلك، تواصل التحسينات الحديثة في الكفاءة والمتانة تقريب هذه التقنية من الواقع التجاري بسرعة كبيرة.
«غراء جزيئي»
في هذا السياق، كشفت دراسة قادها باحثون من جامعة مانشستر البريطانية عن مقاربة جزيئية مبتكرة أسهمت في رفع كفاءة خلايا البيروفسكايت وتعزيز متانتها؛ ما أعاد تسليط الضوء على الاستراتيجيات العلمية التي يعتمدها الباحثون حول العالم لتحسين أداء هذه الخلايا. وتوصل الفريق إلى حل مبتكر من خلال الضبط الدقيق للجزيئات التي تغلف أسطح البيروفسكايت، باستخدام جزيئات صغيرة تعمل كنوع من «الغراء الجزيئي»، تثبّت بنية البيروفسكايت وتعزز تماسكها، وفقاً لنتائج الدراسة المنشورة في 12 يناير (كانون الثاني) 2026 بدورية «Science».
وتكوّن هذه الجزيئات غلافاً واقياً أملس ومستقراً، يمنع تشكّل العيوب المجهرية، ويسمح بتدفق الشحنات الكهربائية بكفاءة أعلى، كما يقلل من تدهور الخلايا بفعل الحرارة أو التعرض المستمر للضوء. وبفضل هذا النهج، تمكن الفريق من تصنيع خلايا شمسية حققت كفاءة تحويل للطاقة بلغت 25.4 في المائة، مع احتفاظها بأكثر من 95 في المائة من أدائها بعد 1100 ساعة من التشغيل المستمر عند درجة حرارة 85 مئوية وتحت أشعة الشمس المباشرة.
يقول الدكتور توماس أنثوبولوس، الباحث الرئيسي للدراسة بجامعة مانشستر، إن الدراسة ركزت على تطوير الهيكل الهجين ثنائي/ ثلاثي الأبعاد لخلايا البيروفسكايت، الذي أصبح عنصراً أساسياً في أحدث الخلايا الشمسية من هذا النوع.
وأضاف أن فهم التفاعلات بين جزيئات الروابط مكّن الباحثين من تحديد الجزيئات المثالية لتطوير خلايا شمسية عالية الكفاءة ومستقرة. وأشار إلى أن كفاءة خلايا البيروفسكايت لا تزال أقل من الألواح السيليكونية المتقدمة، إلا أن أدائها يتحسَّن بشكل مستمر، وهناك أسباب قوية للاعتقاد بأن الكفاءة العالية التي تحققت في المختبر ستتجاوز قريباً كفاءة الألواح التقليدية.
وأكد أن وتيرة التحسينات في الكفاءة والاستقرار التشغيلي خلال السنوات الأخيرة تقرّب هذه التقنية أكثر من الانتشار التجاري الواسع، مع توقع أن تترك خلايا البيروفسكايت الشمسية أثراً ملموساً على مجتمعنا المستقبلي، مشدداً على أهمية تطوير حلول تقلل التأثير البيئي وتستخدم مواد أقل سمية لضمان إنتاج طاقة نظيفة ومستدامة للأجيال المقبلة.
محاولات لتحسين الأداء
تعددت المحاولات البحثية لرفع كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية وتحسين استقرارها. ففي سبتمبر (أيلول) 2025، نجح فريق دولي يضم باحثين من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) في السعودية، ومعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية وجامعة فرايبورغ الألمانية، في تطوير تقنية مبتكرة لمعالجة سطح الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون؛ ما عزز كفاءتها واستقرارها بشكل ملحوظ. وتعتمد هذه الطريقة على ترسيب مركب كيميائي مبتكر يُعرف باسم (PDAI)، حسّن التوصيل الكهربائي لطبقة البيروفسكايت بالكامل، وليس السطح فقط؛ ما رفع الأداء الكلي للخلية.
وتتكون الخلايا الشمسية الترادفية من طبقتين، إحداهما من البيروفسكايت والأخرى من السيليكون، بينما تتألف الخلايا الشمسية التقليدية المنتشرة تجارياً من طبقة واحدة من السيليكون. وأظهرت التجارب أن الخلايا المعالَجة بهذه التقنية حققت كفاءة تحويل قياسية بلغت 33.1 في المائة، وجهداً كهربائياً مفتوح الدارة بلغ 2.01 فولت، مع الحفاظ على أداء مستقر عند حرارة تتجاوز 40 مئوية لمدة تزيد على 1500 ساعة.
ويُعدّ هذا الأداء أعلى من الحد الطبيعي للخلايا السيليكونية التقليدية، ويتيح التقاط أكبر قدر من الطاقة الشمسية من خلال الجمع بين طبقة البيروفسكايت والخلية السيليكونية في تصميم مترابط.
وفي يونيو (حزيران) 2025، تمكن فريق دولي بقيادة جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا الصينية من بناء خلايا شمسية ترادفية تعتمد بالكامل على مادة «البيروفسكايت»، وحققت كفاءة قياسية بلغت 29.5 في المائة، بفضل معالجة مبتكرة للواجهات الداخلية للخلايا باستخدام هيكل نانوي معدّل كيميائياً لتعزيز التفاعل بين طبقات الخلية؛ ما أسهم في القضاء على الفجوات المجهرية، والحد من أكسدة القصدير، وتحسين انتقال الشحنات الكهربائية.
وأظهرت الاختبارات أن هذه الخلايا تتمتع بثبات حراري وتشغيلي أفضل مقارنة بالخلايا التقليدية، حيث احتفظت الخلايا الترادفية بنسبة 82 في المائة من كفاءتها بعد 150 ساعة عند 85 مئوية، وحافظت على 93 في المائة من أدائها بعد 450 ساعة من التشغيل المستمر.
وأكد الباحثون أن هذه النتائج تفتح المجال لتوسيع إنتاج خلايا البيروفسكايت عالية الكفاءة على نطاق صناعي، وتتيح تطبيقاتها في أجهزة إلكترونية ضوئية أخرى مثل الكواشف الضوئية والمصابيح (LED).
وفي نوفمبر (تشرين الثاني) 2024، نجح باحثون بجامعة نورث وسترن الأميركية في تطوير طبقة حماية جديدة لخلايا «البيروفسكايت»؛ ما ضاعف عمرها الافتراضي وجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام خارج المختبر. وتعتمد هذه التقنية على استبدال الطبقات التقليدية القائمة على الأمونيوم بمركبات «أميدينيوم» أكثر استقراراً، قادرة على مقاومة الحرارة والرطوبة لفترات أطول دون تحلل. وأظهرت التجارب أن الخلايا الجديدة حافظت على 90 في المائة من كفاءتها الأولية بعد 1100 ساعة من التعرض للظروف القاسية، أي أن عمرها تضاعف ثلاث مرات مقارنة بالتصاميم السابقة، مع تسجيل كفاءة تحويل طاقة عالية بلغت 26.3 في المائة؛ ما يجعلها منافساً قوياً لخلايا السيليكون الشمسية الأعلى تكلفة.
