خلايا شمسية بكفاءة أعلى يمكن إنتاجها على نطاق واسع

«كاوست» تطور تقنية تبشر بظهور الجيل المقبل منها

أثبتت تقنيات خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءة أعلى بكثير مقارنة بخلايا السيليكون التقليدية

توصل باحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) إلى تقنية جديدة لإنتاج خلايا شمسية معتمدة على مزيج من مادة البيروفسكايت وخلايا السيليكون التقليدية، لتكون أفضل أداءً، ويمكن إنتاجها على نطاق واسع، وقد تُمثل حجر الأساس لظهور جيل جديد من الخلايا الشمسية يتميز بكفاءة أعلى، مقارنةً بالتقنيات المتاحة حالياً.
ويشير بعض العلماء إلى أن كل 88 دقيقة، تمد الشمس كوكب الأرض بما يكفي من الطاقة لتأمين حاجيات البشرية مدة عام، ويتوقعون أنه وبحلول عام 2030. سيتم إنتاج 30 في المائة من الاحتياج العالمي للكهرباء من الشمس، على أن تتخطى هذه النسبة الـ50 في المائة بحلول 2050.
وتعد المملكة العربية السعودية إحدى الدول التي تمتلك هذا المصدر الهام من الطاقة المتجددة لكونها تقع في منطقة جغرافية غنية بالطاقة الشمسية، يطلق عليها العلماء مسمى «منطقة الحزام الشمسي». وكانت الأبحاث لتطوير تقنيات الطاقة الشمسية في المملكة قد بدأت منذ سبعينيات القرن الماضي.
وجدير بالذكر فإن تقنيات خلايا البيروفسكايت الشمسية قد أثبتت كفاءة أعلى بكثير، مقارنة بخلايا السيليكون الشمسية التقليدية أحادية البلورة؛ فالأولى تعتمد على أغشية رقيقة من الهاليد بخصائص فريدة تجعلها مثالية لصناعة الألواح الضوئية، من بينها خصائصها البنيوية والكهرو - بصرية، مثل ارتفاع مستوى نظامها البلوري، وإمكانية ضبط فجوة الطاقة، وارتفاع معامل الامتصاص البصري.
وتتيح تلك الخصائص المميزة لخلايا البيروفسكايت، تحقيق معدلات عالية من تحويل الطاقة تزيد على 25 في المائة. كذلك تسهم أيضاً في رواج تلك الخلايا الشمسية باعتبارها الخيار الأفضل بالنسبة للتطبيقات الترادفية التي تستخدم ركائز السيليكون البلوري، والتي يمكن أن تؤدي إلى إنتاج خلايا بيروفسكايت شمسية ذات معدلات كفاءة عالية.
لكن، وكي تحقق تلك الخلايا الشمسية هذه المعدلات العالية من الكفاءة، لا بد لسطح السيليكون - الذي يحتوي عادةً على بنى هرمية ميكرومترية الحجم - أن يُغطى بالكامل بالبيروفسكايت، وهي عملية تبين أنها في غاية الصعوبة.
ولحل تلك المُعضلة، نجح أخيراً كل من الدكتور إركان أيدين والدكتور ميشيل دي باستياني، من مركز أبحاث الطاقة الشمسية في «كاوست»، بالتعاون مع علماء من جامعة تورونتو الكندية، والمختبر الوطني الأميركي للطاقة المتجددة، في تطوير تقنية مبتكرة لوضع البيروفسكايت فوق الطبقة الحبيبية لخلايا السيليكون الشمسية.
وما يميز هذه التقنية أنها قابلة للتوسُع بما يناسب الإنتاج واسع النطاق، كما تعزز الخواص الإلكتروبصرية، مقارنةً بمنظومات البيروفسكايت - السيليكون الترادفية التقليدية.
يوضح أيدين تفاصيل التقنية الجديدة قائلاً: «تستخدم الخلايا الشمسية التقليدية شبه موصل واحداً فقط لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، غير أن كفاءتها النظرية تقتصر على نحو 33 في المائة تقريباً. غير أننا استطعنا زيادة هذه النسبة لتصل إلى 44 في المائة بوضع اثنين من أشباه الموصلات داخل خلية شمسية ترادفية، مستخدمين هاليد البيروفسكايت والسيليكون».
وعمد الباحثون إلى الجمع بين خلية بيروفسكايت شمسية معالَجة بالمحلول، ذات سمك ميكرومتري، وفجوة نطاق واسعة، وطبقة من السيليكون ذات بنية هرمية، وهو ما أدى لملء الفجوات الموجودة في سطح السيليكون، لكن دون إعاقة الخواص الكهروضوئية للبيروفسكايت، وأسفر عن إنتاج خلية شمسية ترادفية قائمة على البيروفكسايت - السيليكون ذات كفاءة تصل إلى 25.7 في المائة.
يذكر أيدين ميزة أخرى للطريقة الجديدة قائلاً: «كان لا بد في السابق أن يجري صقل سطح السيليكون ليصير أملس تماماً ويناسب طبقة البيروفسكايت، وهو ما كان يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكلفة الإنتاج على نطاق واسع».
وعن تطبيقات هذا البحث، توقع الفريق أن يسهم في توسيع إنتاج خلايا البيروفسكايت الشمسية الترادفية مع تحسين أدائها بصورة كبيرة، وهو ما يسمح للباحثين بالعمل على تطوير تلك الخلايا القائمة على البيروفسكايت-السيليكون والتي تعد المعيار المعتمد بالفعل في الأغراض الصناعية بدلاً من استخدام منصات لا يمكن إنتاجها على نطاق واسع.
ويختتم دي باستياني بالحديث عن خطوات الفريق المستقبلية قائلاً: «نستهدف التوسع في تقنية وضع البيروفسكايت بما يلبي معايير حجم الإنتاج الصناعي الحالية للأجهزة، بغرض إثبات جدوى المفهوم في المقام الأول، ثم الانتقال إلى خط الإنتاج التجريبي في مرحلة لاحقة».