خلايا شمسية مطبوعة تدوم لأكثر من عشرة آلاف ساعة

صنع فريقٌ من العلماء خلايا شمسيةً قابلةً للطباعة وبتكاليفٍ منخفضة، واستطاعت هذه الخلايا أن تحافظ على أدائها لمدةٍ أكثر من سنةِ تشغيلٍ في ظروف عالمنا الحقيقي، فتم نقل هذه الخلايا التي حطمت أرقام منافسيها، من المختبر إلى السوق التجاري، وهذه الخلايا الشمسية مصنّعةٌ من موادٍ ذاتِ تصنيفٍ خاصٍّ تدعى البيروفسكايت Perovskites؛ وهي عبارةٌ عن موادٍ ذاتِ تركيبٍ كريستاليٍّ للجزيئات، مشابهٍ لأكسيد التيتانيوم والكالسيوم. وتُعدُّ هذه المعادن ثورةً في تكنولوجيا الطاقة البديلة منذ بداية استخدامها في صناعة الخلايا الشمسية عام 2009، لما لها من خواصٍّ مثيرةٍ للاهتمام مثل الموصلية الكهربائية الفائقة والمقاومة المغناطيسية والموصلية الأيونية؛ والتي تُعدُّ من الخواص الهامة في تطبيقات الإلكترونيات الدقيقة.

عام 2016 كانت هذه المواد مصممةً لتكون قادرةً على تشكيل خلايا شمسيةٍ ذاتِ كفاءةٍ قُصوى تصلُ إلى 31%، وهي أعلى من كفاءة الخلايا السيليكونية التجارية المتوفرة، كما أن عملية تصنيعها أسهلُ وتصل لمردودِ 22% في المختبر، ولكنْ عندما تتعرض لرطوبة الجو والأوكسجين تتدمرُ قدرتها على حصدِ الطاقة الشمسية، وقد واجه نفسُ هذا المصير غيرَها من الخلايا الشمسية القابلةِ للطباعة المبنية من عمليات البلمرة.

قام فريقٌ من العلماء في سويسرا بالتغلب على هذه السلبية باستخدام نوعٍ جديد من بناء خلايا البيروفسكايت لتصنيعِ خليةٍ مستقرةٍ أثناء تشغيلٍ لأكثر من عام عند مردودِ 11.2% والقريب جداً من مردود الخلايا الشمسية السيليكونية المستخدمةِ على أسطح العديد من الألواح الشمسية.

قام الفريق بتشكيل خليةٍ شمسيةٍ هجينةٍ ثنائيةٍ وثلاثيةِ الأبعاد وتَستخدم نوعين مختلفين من البيروفسكايت لإدخال خاصِّيتين هامّتين للحصول على مردودٍ عالٍ لمدةٍ طويلة؛ مقاومَةٍ للماء والأوكسجين، ونقلِ الشحنات الكهربائية.

يحمي البيروفسكايت ثنائي البعد النافذةَ من الرطوبة، ويحافظ على قدرة البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد على توليد الكهرباء، صُنِّعَ النوعان المختلفان من هذه المادة خلال عمليةٍ كيميائيةٍ رطبةٍ بسيطةٍ في أنبوبِ اختبار، وخُلِطا بنسبٍ مختلفةٍ للحصول على الخلية الشمسية.

يقول محمد خجا نظير الدين رئيسُ المشروع من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان: “الشيء الهام الذي وجدناه من خلال هذا التقرير هو وجودُ وسيطِ متعددِّ الأبعاد 2D/3D للتعامل معه، ونحن نؤمن أنه سيثير العديد من الدراسات، وسيوسِّع الأفق للخلايا الكهروضوئية البيروفسكايتية”.

تُصنع خلايا البيروفسكايت الضوئية الهجينة طبقةً فوق طبقةٍ مثل السندويش، عبر وضع مكوناتٍ مختلفةٍ من الخلية الشمسية بعضِها فوق بعض.

ولتوضيح عمليةِ تصنيع هذه التقنية، صنّعَ فريقُ العلماء لوحاً شمسياً بقياس 10×10 سم والذي يشبه الشكل التالي:

يُمكن لهذه الخلية الشمسية أن تعمل لمدةٍ تتجاوز الـ 10000 ساعة ضمن الأحوال الجوية القياسية، وأعظمُ مردودٍ حصلوا عليه منها كان 14.6%.

يرجو الفريق في المستقبل أنَّ تحسين البنية الداخلية للجهاز سيدفع بخلايا البيروفسكايت الشمسية للوصول إلى المردود النظري لها، وهذا ما يضعه الفريق والمختبر نُصب أعينهم.

تخيل عزيزي القارئ أن الخلايا الشمسية ذاتَ التكلفة المنخفضة، والقابلةَ للطباعة، وذاتَ العمرِ الطويل أصبحت أقرب إلينا مما سبق، وستخرج من قضبان المخابر.