اختراق علمي يقلص تكلفة إنتاج خلايا الطاقة الشمسية

طور البروفسور يابنغ كي وفريقه من او آي اس تي، بالتعاون مع البروفسور شينغجونغ ليو من جامعة شانكسي نورمال في الصين طور الخلايا التي تستخدم المواد والمركبات التي تحاكي التركيبة البلورية للبيروفسكايت المعدني الذي يحدث بشكل طبيعي. ووصف الفريق انجازه في دراسة نشرت في جورنال نيتشر كوميونيكيشنز.

وفيما يشير البروفسور كي اليه باسم "المثلث الذهبي" يتعين أن تحقق تقنيات الخلايا الشمسية ثلاثة شروط لتصبح صالحة للتسويق التجاري: يجب أن يكون معدل تحويلها لأشعة الشمس الى كهرباء عالياً، وان تكون غير مكلفة في انتاجها، وأن تعمر لفترة طويلة.

واليوم يتم صنع معظم الخلايا الشمسية التجارية من السليكون البلوري الذي يتمتع بفعالية عالية نسبياً تصل الى حوالي 22 في المئة. وعلى الرغم من أن السليكون، وهو المادة الأولية لهذه الخلايا الشمسية متوافر بكثرة، فإن معالجته معقدة وترفع من تكلفة تصنيعه، ما يجعل المنتجات مكلفة في شكلها النهائي.

ويقدم البيروفسكايت حلاً أكثر قبولا من ناحية السعر، بحسب البروفسور كي. وكان قد استخدم أولاً في صنع خلايا شمسية في سنة 2009 من قبل فريق بحث البروفسور تسوتومو مياساكا في جامعة توين في يوكوهاما اليابانية واكتسب من يومها أهمية سريعة.

وأوضح كي أن "البحوث المتعلقة بخلايا البيروفسكايت كانت واعدة جداً. وخلال تسع سنوات فقط ارتفعت فعالية هذه الخلايا من 3.8 في المئة الى 23.3 في المئة، وكانت تقنيات اخرى احتاجت الى أكثر من 30 سنة من البحث من أجل الوصول الى المستوى نفسه ".

وتنتج طريقة الصنع التي طورها هو وفريق بحثه خلايا البيروفسكايت الشمسية بفاعلية مقارنة مع خلايا السيلكون البلورية، ولكنها أرخص كثيراً من صنع خلايا السيلكون الشمسية.

ومن أجل صنع الخلايا الجديدة عمد الباحثون الى تغطية المادة الخاضعة لفعل الخميرة الشفافة الموصلة بأفلام بيروفسكايت التي تمتص ضوء الشمس بفاعلية كبيرة. واستخدموا تكنيك الغاز الصلب القائم على ردة الفعل الذي يتم فيه أولاً تغطيته بطبقة من هيدروجين مدمج بكمية صغيرة من ايونات الكلورين وغاز الميثيلامين، مما يسمح بإعادة انتاج ألواح كبيرة متناسقة يتألف كل واحد منها من عدة خلايا شمسية.

ومن خلال تطوير هذه الطريقة أدرك العلماء أن صنع طبقة البيروفسكايت بسمك ميكرون واحد قد زاد من عمر عمل الخلية الشمسية بصورة كبيرة.

ويقول الدكتور زونغهاو ليو وهو عالم في وحدة بحوث البروفسور كي لدى او آي اس تي وأول مؤلف للدراسة إن "الخلايا الشمسية لم تتغير تقريباً حتى بعد عملها لمدة 800 ساعة".

وإضافة الى ذلك فإن الغلاف الأسمك لم يحسن فقط استقرار الخلايا الشمسية بل سهل أيضاً عملية الصنع، وبالتالي فقد خفض تكلفة الانتاج. وقال الدكتور ليو إن "الطبقة الماصة الأسمك تضمن عملية اعادة انتاج جيدة لصنع الخلايا الشمسية التي تشكل ميزة رئيسية للتصنيع الواسع في المستوى الصناعي الواقعي".

والتحدي الكبير الذي يواجهه البروفسور كي وفريقه الآن يتمثل في زيادة حجم خليتهم الشمسية الجديدة التصميم من 0.1 ملم مربع في النموذج الأولي الى ألواح كبيرة تجارية الحجم يمكن أن يبلغ طولها عدة أقدام. وهنا تستطيع الصناعة تقديم المساعدة.

وقال كي "توجد فجوة كبيرة بين النتائج في المختبر وبين العالم الحقيقي، والصناعة ليست مستعدة دائماً لتغطية هذه الفجوة بمفردها، ولذلك فإن الباحثين بحاجة الى اتخاذ خطوة ضرورية اخرى بعد مختبرهم والالتقاء مع الصناعة في منتصف الطريق".

ومن أجل اتخاذ تلك الخطوة تلقى البروفسور كي وفريقه منحة سخية من مركز الابتكار وتطوير التقنية في او أي اس تي بموجب برنامجهم اثبات الفكرة. وعبر ذلك التمويل وضع الفريق نموذجاً تشغيليا لوحدته الجديدة من بيروفسكايت الشمسية تتكون من عدة خلايا شمسية من مادة خاضعة لفعل الخميرة بطول 5 سم مع منطقة نشطة من 12 سنتيمتر مربع – أكبر كثيراً من نموذجهم الأولي التجريبي، ولكنه أصغر من المطلوب للأغراض التجارية.

وعلى الرغم من أن عملية الرفع خفضت فعالية الخلايا من 20 الى 15 في المئة يشعر الباحثون بتفاؤل بأنهم سيتمكنون من تحسين طريقة عملهم في السنوات المقبلة، وأن ينجحوا في استعمالاتهم التجارية.

عمل مشجع

وتبدو النتائج مشجعة جداً، كما تبدو عملية التصنيع الجديدة واعدة جداً، ومع تمويل جديد يحتمل أن تكون هذه التقنية مثمرة بالنسبة للمنتجين والمستهلكين أيضا.