مواد عضوية لتحويل منزلك إلى محطة طاقة شمسية لتوليد الكهرباء

طورها علماء «كاوست» ويمكن استخدامها في طلاء أسطح المنازل ونوافذها

تدرس دريا باران من «كاوست» إمكانية الاعتماد على الخلايا الشمسية العضوية في ظل الإجهاد الضوئي والحراري

يفتح بحث علمي أُجري بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) الباب أمام الوصول إلى حلم طال انتظاره، وهو تحويل أسطح ونوافذ المنازل إلى ألواح لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.
وقد طوَّرت دريا باران، الباحثة في مركز الطاقة الشمسية في «كاوست» وزملاؤها، مادة عضوية كهرو – ضوئية، التي تولّد الكهرباء من الضوء، عبر استخدام مواد شبه موصلة، قادرة على تجميع ضوء الشمس لتحويله إلى طاقة، ويمكن استخدامها في طلاء أسطح ونوافذ المنازل.
ومن المعروف أن الألواح الشمسية التقليدية التي تُثَبَّت على أسطح المنازل تصنع من ألواح من السيليكون، غير أن الجزيئات العضوية التي جرى تطويرها يمكنها استخراج الطاقة من ضوء الشمس أيضاً. كما يمكن تحويلها إلى أحبار منخفضة التكلفة، تتم طباعتها على أجزاء المباني العادية مثل النوافذ.
وتوضح الباحثة باران من «كاوست» أن تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء هي عملية متعددة الخطوات، مشيرة إلى أن العنصر الأساسي من أجل تطوير مواد كهرو - ضوئية عضوية عالية الأداء، هو اكتشاف جزيئات عضوية تناسب كل خطوة من هذه الخطوات.
عندما يصطدم الضوء بمادة كهرو - ضوئية عضوية يدفع إلكتروناً للتحرّر، تاركاً مكانه ثغرة موجبة الشحنة، وفي حال عودة اندماج الإلكترون والثغرة اللذين يحملان شحنتين متضادتين، تُفقَد، أي تتحرر، الطاقة المـُحتَجَزَة. لذا، تضم الخلايا الشمسية العضوية مزيجاً من الجزيئات المانحة للإلكترونات والمستقبلة لها، لإبعاد الشحنات بعضها عن بعض.
وتتذكر باران أنها عندما بدأتْ دراساتها العليا في عام 2015، كانت هناك ضجة كبيرة بخصوص مشتقات الفوليرين (كرة البوكي) بوصفها مستقبلات (الفوليرين هو شكل ثالث للكربون، ويستخدم لتصنيع عدد من المنتجات، مثل أنواع خاصة من البطاريات الكهربائية)، وكانت أعلى نسبة كفاءة مسجَّلة لها تتراوح ما بين 10 في المائة و11 في المائة تقريباً، مع مستويات استقرار ضعيفة. ونظراً لأن الفوليرينات بها كثير من نقاط الضعف – لا سيما ضعف امتصاصها للضوء نسبياً - عكفت باران على دراسة المُستَقبِلات غير الفوليرينية. وتضيف: «الآن تم تسجيل مستويات كفاءة تصل إلى 17 في المائة. كما أنني أُومن بأن هذه المـُستَقبِلات سَتُشَكِّل مستقبل المواد الكهرو - ضوئية العضوية».
وتقدم المُستَقبلات غير الفوليرينية (المعرّفة اختصاراً بـ«EHIDTBR»)، والتي درستها باران وفريقها، كثيراً من الفوائد. فقد أثبت فريق البحث أن هذه المادة العضوية الجديدة، إلى جانب قدرتها الفائقة على امتصاص الضوء، فإنها تمتزج بصورة جيدة مع مكون يصدر إلكترونات، وهو أمر بالغ الأهمية من أجل استقرار الأداء والكفاءة على المدى الطويل. ووفقاً لباران، فإن هذه المُستَقبلات كانت فعالة للغاية في تحرير الإكسيتونات (مستوى الطاقة المقيّد لإلكترون أو فجوة في عازل أو شبه موصل) ومنع إعادة اندماجها، وهي خاصية مهمة للغاية ستسهل تصنيع هذه المادة العضوية.
وفي المواد التي تسمح بمعدلات عالية لعودة الإكسيتونات إلى الاندماج، يجب أن تكون الطبقة الجامعة للضوء رقيقة للغاية، حتى تصل الشحنة الكهربائية الناجمة عن الضوء إلى القطب الكهربائي سريعاً، ولتقليل فرص عودة اندماج الإكسيتونات مرة أخرى. هذه الرقة البالغة لطبقة جمع الضوء تفرض صعوبات أكبر على عملية تصنيعها.
وتشير باران إلى أنه من السهل طباعة الأفلام الأكثر سُمكاً؛ خصوصاً عندما يُراد توسيع نطاقها لأغراض التصنيع.
وتضيف أن توسيع نطاق التقنية هي الخطوة التالية التي يتطلَّع إليها الفريق، وأن لديهم الآن شركة منبثقة من مركز الطاقة الشمسية في «كاوست» يعملون من خلالها من أجل إنتاج نوافذ فولطائية ضوئية لتوليد الكهرباء.