تكنولوجيا الطاقة الجديدة يوزيل المحدودة
الخلايا الشمسية القابلة للطباعة فقط حصلت على أقرب قليلا
- Mar 02, 2017 -

ويمكن للابتكار الجديد أن يجعل طباعة الخلايا الشمسية سهلة وغير مكلفة عند طباعة صحيفة. وقد أزال الباحثون عقبة صناعية حاسمة في تطوير فئة جديدة نسبيا من الأجهزة الشمسية تسمى الخلايا الشمسية بيروفسكيت. ويمكن لهذه التكنولوجيا الشمسية البديلة أن تؤدي إلى ألواح شمسية منخفضة التكلفة وقابلة للطباعة قادرة على تحويل أي سطح تقريبا إلى مولد طاقة.


وقال البروفسور تيد سارجنت، الخبير في تقنيات الطاقة الشمسية الناشئة ورئيس كندا للبحوث في مجال تكنولوجيا النانو: "لقد أدت اقتصاديات الحجم إلى خفض كبير في تكلفة تصنيع السيليكون. "الخلايا الشمسية بيروفسكيت يمكن أن تمكننا من استخدام التقنيات التي أنشئت بالفعل في صناعة الطباعة لإنتاج الخلايا الشمسية بتكلفة منخفضة جدا، ويمكن أن بيروفسكيتس وخلايا السيليكون يمكن أن تكون متزوجة لتحسين الكفاءة أكثر، ولكن فقط مع التقدم في عمليات درجات الحرارة المنخفضة".

اليوم، جميع الخلايا الشمسية التجارية تقريبا مصنوعة من شرائح رقيقة من السيليكون البلورية التي يجب معالجتها إلى نقاء عالية جدا. إنها عملية كثيفة الاستخدام للطاقة تتطلب درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية وكميات كبيرة من المذيبات الخطرة.

في المقابل، تعتمد الخلايا الشمسية بيروفسكيت على طبقة من بلورات صغيرة - كل حوالي 1000 مرة أصغر من عرض شعر الإنسان - مصنوعة من مواد منخفضة التكلفة، حساسة للضوء. لأن المواد الخام بيروفسكيت يمكن خلطها في السائل لتشكيل نوع من "الحبر الشمسي"، يمكن طباعتها على الزجاج والبلاستيك أو غيرها من المواد باستخدام عملية الطباعة النافثة للحبر بسيطة.

ولكن، حتى الآن، كان هناك الصيد: من أجل توليد الكهرباء، يجب استخراج الإلكترونات متحمس من الطاقة الشمسية من بلورات بحيث يمكن أن تتدفق من خلال الدائرة. أن استخراج يحدث في طبقة خاصة تسمى طبقة انتقائية الإلكترون، أو إسل. كانت صعوبة تصنيع إسل جيدة واحدة من التحديات الرئيسية التي تعوق تطوير أجهزة الخلايا الشمسية بيروفسكيت.

"إن المواد الأكثر فعالية لجعل إسلس تبدأ كمسحوق ويجب أن تكون خبز في درجات حرارة عالية، فوق 500 درجة مئوية"، وقال تان. "لا يمكنك وضع ذلك على رأس ورقة من البلاستيك المرن أو على خلية السيليكون ملفقة بالكامل - وسوف تذوب فقط".

طور تان وزملاؤه تفاعل كيميائي جديد مما مكنهم من زراعة إسل مصنوع من الجسيمات النانوية في محلول، مباشرة على رأس القطب. في حين أن الحرارة لا تزال مطلوبة، فإن العملية يبقى دائما أقل من 150 درجة مئوية، أقل بكثير من نقطة انصهار العديد من البلاستيك.

الجسيمات النانوية الجديدة مغلفة بطبقة من ذرات الكلور، مما يساعدها على الارتباط بطبقة بيروفسكيت على القمة - وهذا الارتباط القوي يسمح باستخراج الالكترونات بكفاءة. في ورقة نشرت مؤخرا في العلوم وتان وزملاؤه تقرير كفاءة الخلايا الشمسية التي أجريت باستخدام طريقة جديدة في 20.1 في المائة.

"هذا هو أفضل من أي وقت مضى ذكرت لتقنيات معالجة درجات الحرارة المنخفضة"، وقال تان. ويضيف أن الخلايا الشمسية بيروفسكيت باستخدام الطريقة القديمة، وارتفاع درجة الحرارة ليست سوى أفضل هامشيا عند 22.1 في المائة، وحتى أفضل الخلايا الشمسية السيليكون يمكن أن تصل إلى 26.3 في المائة فقط.

ميزة أخرى هي الاستقرار. العديد من الخلايا الشمسية بيروفسكيت تواجه انخفاضا حادا في الأداء بعد بضع ساعات فقط، ولكن خلايا تان الاحتفاظ أكثر من 90 في المائة من كفاءتها حتى بعد 500 ساعة من الاستخدام. وقال تان، الذي اضطلع بهذا العمل كجزء من زمالة روبيكون: "أعتقد أن أسلوبنا الجديد يمهد الطريق نحو حل هذه المشكلة.

يقول البروفسور آلان أسبورو غوزيك، أستاذ الدراسات العليا في جامعة تورونتو: "إن الدراسات الحسابية لفريق تورونتو تفسر بشكل جميل دور طبقة الإلكترون الانتقائية التي تم تطويرها حديثا، ويوضح العمل الإسهام السريع الذي يقدمه علم المواد الحاسوبية نحو أجهزة الطاقة العقلانية والجيل التالي" وهو خبير في علوم المواد الحسابية في قسم الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في جامعة هارفارد، الذي لم يشارك في العمل.

وقال البروفيسور لوبينغ يو: "لزيادة الخلايا الشمسية السليكونية الأفضل، يجب أن تكون تقنيات الجيل الرفيع من الجيل الثاني متوافقة مع العملية مع خلية نهائية، وهذا يستلزم درجة حرارة متواضعة في المعالجة، قسم الكيمياء في جامعة شيكاغو. يو هو خبير في الخلايا الشمسية المصنعة للحل ولم يشارك في العمل.

إن الحفاظ على البرودة أثناء عملية التصنيع يفتح عالما من الإمكانات لتطبيقات الخلايا الشمسية من بيروفسكيت، من أغطية الهواتف الذكية التي توفر قدرات شحن للنوافذ الشمسية النشطة التي تعوض استخدام الطاقة في المباني. وعلى المدى القريب، يمكن استخدام تكنولوجيا تان بالترادف مع الخلايا الشمسية التقليدية.

وقال تان: "مع عملية درجات الحرارة المنخفضة لدينا، يمكننا معطف الخلايا بيروفسكيت لدينا مباشرة على رأس السيليكون دون الإضرار المواد الأساسية"، وقال تان. "إذا كانت خلية السيليكون بيروفسكيت الهجين يمكن أن تدفع كفاءة تصل إلى 30 في المائة أو أعلى، فإنه يجعل الطاقة الشمسية اقتراح اقتصادي أفضل بكثير".