خلايا شمسية عالية الكفاءة بطريقة طباعة نفث الحبر

علماء «كاوست» يصممونها حسب الطلب وبتكلفة منخفضة

صنع الفريق البحثي أجهزةً عالية الكفاءة على شكل سلحفاة

يُتوقّع أن تعجِّل الطباعة بطريقة نفث الحبر، والمعروفة شعبياً باسم «إينك جت»، بوضع الخلايا الشمسية العضوية على طريق التسويق التجاري. وقد استغلَّ باحثون في «مركز الطاقة الشمسية» بـ«جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية» (كاوست) هذه التقنية لإنتاج خلايا شمسية عالية الكفاءة على نطاق واسع.
ويُمكن أن تحلَّ الموادُ الكهروضوئية العضوية قريباً محلَّ أشباه الموصِّلات غير العضوية في الأجهزة التي تعمل بالطاقة الشمسية، بسبب خفّة وزنها، ومرونتها، وانخفاض تكلفتها. كما يسهُل تشكيل هذه المواد ومعالجتها في محلول، ما يجعلها جذَّابة جداً للتعديل حسب الرغبة، والإنتاج على نطاق واسع.
وتتكون الخلايا الكهروضوئية العضوية من عدّة طبقات مؤلفة من مادة عضوية شبه موصلة، تشمل البوليمرات العضوية الموصّلة أو الجزيئات العضوية الصغيرة، لامتصاص الضوء ونقل الشحنة لإنتاج الكهرباء من أشعة الشمس بواسطة التأثير الضوئي.
وعلى وجه التحديد، يمكن لتصميمات الخلايا الشمسية المُعدلة حسب الرغبة أن تُستخدَم بالاشتراك مع إلكترونيات مطبوعة أخرى، لتوفير الطاقة لكثير من التطبيقات، مثل الإلكترونيات التي تستخدم لمرة واحدة، والتغليف الذكي، والوسائط التفاعلية المطبوعة، والأجهزة التي تعمل كمختبرات على رقائق إلكترونية.
وساعدت مواد ناشئة حديثاً، تُدعَى «المُستَقبِلات غير الفولرِينية»، على تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية العضوية، على نحوٍ جعلَها تقترب من الإنتاج على نطاق تجاري. وعادة ما تُخلط هذه المكونات مع مواد مانحة للإلكترونات في طبقة كهروكيميائية حساسة للضوء. وقد أثبتتْ هذه المواد فاعليتها في الفصل بين أزواج الإلكترونات التي يولّدها الضوء والفجوات سالبة الشحنة، وفي الحفاظ على التيار الكهربائي عند التعرّض لضوء الشمس. غير أن تحدّيات زيادة الإنتاج والتصنيع أعاقت جهود إخراج هذه المواد من حدود المختبرات العلمية إلى النطاق الصناعي والاستهلاكي.
ولسدِّ هذه الفجوة، صممت الدكتورة ديريا باران، الأستاذة المساعدة في هندسة وعلوم المواد، قسم العلوم والهندسة الفيزيائية بـ«كاوست» وزملاؤها مواد شمسية قابلة للطباعة بنفث الحبر، تحتوي على مستقبل غير فولَرِيني، ثم رسبَّوا هذه الأحبار على مساحات واسعة لإنتاج خلايا كهروضوئية. حققت الأجهزة الناتجة معدلات كفاءة تبلغ 6 في المائة، وهي معدلات تُقارِب كفاءة نظيراتها المعتمدة على تقنية الطلاء بواسطة الطرد المركزي.
ويُوضِّح طالب الدكتوراة، دانيال كورزو، الذي يعمل في مختبر الدكتورة ديريا باران، أن الطباعة بطريقة النفث تتيح عدَّة مزايا تتفوق على التقنيات التي تَستخدِم الطرد المركزي، أو تلك التي توزِّع المادة على السطح بواسطة شفرة، وتشمل هذه المزايا تقليل كمية المادة المستهلكة، وإمكانية إجراء تغيّرات سريعة على التصميمات من خلال برامج رقمية. ويضيف كورزو: «يتيح ذلك التصنيع منخفض التكلفة، صنع أنماط ذات أشكال معقَّدة، وصناعة أجهزة متعددة الطبقات دون الحاجة إلى الطباعة الحجرية متعددة الخطوات». والطباعة الحجرية هي عملية إنتاج أنماط على أشباه موصّلات بلورية للاستخدام كدوائر متكاملة.
وقد حسَّن الباحثون عملية الطباعة عن طريق ضبط سلوك الحبر من حيث اللزوجة والتبخر، لتحسين طريقة خروج القطرات، وطريقة تفاعلها مع سطح الركيزة. ووفقاً لكورزو، فقد أتاح هذا التطوير إمكانية تكرار عملية الطباعة، وجعلها قابلة للتوسع إلى مستوى تجاري.
صنع فريق باران أيضاً أجهزة عالية الكفاءة على شكل سلحفاة، ما أوضح إمكانية تعديل العملية حسب الرغبة. يوضح كورزو: «إنه لأمرٌ رائع أننا نستطيع الآن صنع خلايا شمسية ذات أشكال معقدة بضغطة زر، وهو ما يفتح الباب أمام مجموعة كبيرة من التطبيقات».
ويعكف الباحثون حالياً على تطوير خلايا شمسية عضوية مطبوعة بالكامل، وتعزيز كفاءة الخلايا باستخدام مواد ذات أداء أفضل. كما يبحثون أيضاً طُرقاً لدمج الأجهزة في وحدات برمجية مستقلة، ومع إلكترونيات مطبوعة أخرى لاستشعار ذاتي التحكم وذاتي الطاقة.