تحسين كفاءة الألواح الشمسية بطريقة مبتكرة يزيد إنتاج الكهرباء

دينا قدري

2024-08-03

0 1٬070

الألواح الشمسية و خلايا البيروفسكايت — إحدى تركيبات الطاقة الشمسية - الصورة من منصة "إنتريستينغ إنجينيرينغ"

توصّل باحثون إلى طريقة مبتكرة لتحسين كفاءة الألواح الشمسية المُصنّعة من مادة البيروفسكايت، وفق تحديثات قطاع الطاقة المتجددة لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وتمكّن الباحثون في كلية الهندسة بجامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا، من تحديد الخلل الذي يجعل الألواح الشمسية القائمة على البيروفسكايت غير مستقرة.

ومن خلال إصلاح المشكلة، مهّد الباحثون الطريق لنشر هذه الألواح الشمسية عالية الكفاءة على نطاق واسع.

يأتي ذلك في الوقت الذي تُرِكَّب فيه مرافق طاقة الرياح والطاقة الشمسية بوتيرة سريعة، مع تطلُّع العالم إلى الابتعاد عن الوقود الأحفوري.

تعزيز تركيبات الألواح الشمسية

على الرغم من إمكان الوصول إلى الطاقة الشمسية في كل مكان تقريبًا، فإن تركيب ألواح شمسية ما يزال متخلفًا عن أنظمة الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح حتى اليوم.

أحد أسباب انخفاض اعتماد الطاقة الشمسية نسبيًا هو كفاءتها القليلة؛ ففي المتوسط، تتمتع الألواح الشمسية المتاحة تجاريًا بكفاءة تحويل الطاقة (PCE) بنسبة 15-20%.

وهذا يعني أنه من بين كل ضوء الشمس الساقط على لوحة شمسية طوال اليوم، لا يمكن للوحة الشمسية النموذجية تحويل أكثر من 20% إلى كهرباء.

فيما يتعلق بمحطة الطاقة الشمسية، لا تستطيع البنية التحتية الضخمة تحويل 80% من ضوء الشمس المقدّم لها؛ وهذا هو السبب وراء احتياج كفاءة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية إلى تطوير كبير.

وتساعد الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت العلماء في تحطيم أرقام كفاءة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية من خلال تحقيق تحويل للطاقة يصل إلى 33%.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الألواح الشمسية القائمة على البيروفسكايت أرخص في التصنيع وصديقة للبيئة، ويمكن تصنيعها أيضًا بألوان مختلفة لتسهيل التركيبات الحضرية، وفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة، نقلًا عن منصة "إنتريستينغ إنجينيرينغ" (Interesting Engineering).

والتركيب الأسهل نسبيًا لمحطات الطاقة الشمسية مقارنةً بمزارع الرياح البحرية أو بناء محطات الطاقة الكهرومائية، يجعل من الممكن تركيب المزيد من الألواح الشمسية القائمة على البيروفسكايت في نطاق واسع.

الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية بجامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا تشو يوان يوان — الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكيميائية بجامعة هونغ كونغ "تشو يوان" - الصورة من الموقع الرسمي للجامعة

عيوب البيروفسكايت

على الرغم من كل قدراتها المتفوقة، فإن مادة البيروفسكايت تعاني من مشكلة كبيرة؛ إذ تؤدي التقلبات المفاجئة في درجات الحرارة أو التعرض الطويل للرطوبة والأكسجين إلى عدم استقرار المادة، وتتوقف الخلية الشمسية عن العمل.

ولذلك، درسَ باحثون، بقيادة الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية بجامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا تشو يوان يوان، البنية الدقيقة للبيروفسكايت، ووجدوا أن حبيبات المادة البلورية بها تجاويف على أسطحها.

عند استعمالها في الخلايا الشمسية، تؤثّر هذه التجاويف في الاستمرار الهيكلي لفيلم البيروفسكايت، وتتسبب بانهياره، في ظل ظروف مختلفة.

يقول تشو -في بيان اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة-: "لقد كنا مفتونين جدًا بتجاويف سطح حبيبات البيروفسكايت، عندما استعملنا مجهر القوة الذرية، لفحص التفاصيل الهيكلية لأفلام البيروفسكايت".

عادةً ما تكون هذه التجاويف مدفونة تحت قاع الفيلم، ويُمكن تجاهلها بسهولة؛ وقد حدّ هذا الخلل من نشر البيروفسكايت على نطاق واسع.

بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن التجاويف هي عامل مقيد في كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية للخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت؛ لذلك، فإن تصحيح الخلل يمكن أن يساعد أيضًا في إنشاء ألواح شمسية أكثر كفاءة.

وفي بحثه، قرر الفريق أن معالجة مادة البيروفسكايت بجزيء من المواد الخافضة للتوتر السطحي، يساعد في انتشار الأيونات عند صنع أغشية للألواح الشمسية.

وأفاد الفريق بأن الخلايا المصنوعة باستعمال مادة البيروفسكايت المعالجة أظهرت كفاءة واستقرارًا أفضل تحت الحرارة الرطبة والدورة الحرارية واختبارات تتبّع أقصى نقطة للطاقة.

وقال تشو في البيان الصحفي: "إن بنية وهندسة حبيبات البلورات الفردية هي أصل أداء الرقائق الإلكترونية والخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت".

وأضاف: "من خلال الكشف عن تجاويف سطح الحبيبات، وفهم تأثيراتها، والاستفادة من الهندسة الكيميائية لتخصيص هندستها، فإننا نبتكر طريقة جديدة لصنع خلايا شمسية من البيروفسكايت بكفاءة واستقرار".

خلايا البيروفسكايت

تتألف خلايا البيروفسكايت الشمسية الكهروضوئية من عدّة طبقات، وتكون الطبقة الماصّة للضوء من مادة البيروفسكايت، وهي عبارة عن مركّب معدني يحتوي على الأكسجين والكالسيوم والتيتانيوم.

وتمتاز بهذه الخلايا سهولة تصنيعها بأقل تكلفة ممكنة بالمقارنة بنظيرتها من السيليكون، إذ يتطلب الحصول على السيليكون استخراجه من الأرض، وإخضاعه لعمليات معالجة معقّدة تتطلب حرارة مرتفعة قبل استعماله في بناء الخلايا الكهروضوئية.

وقال المتخصص في الطاقة الشمسية، المهندس ناصر صبر، إن الخلايا الشمسية المُصنّعة من السيليكون تستحوذ على نحو 95% من الخلايا الكهروضوئية المتوافرة في الأسواق.

وتوقّع صبر -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- أن تقود خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية المنافسة، وتتربع على عرش الخلايا الشمسية في الأسواق التجارية مستقبلًا، نتيجة لكفاءتها العالية.

وأشار إلى أن خلايا البيروفسكايت قد ارتفعت كفاءتها من 3% في عام 2009 إلى أكثر من 25% حاليًا، في حين وصلت كفاءة خلايا السيليكون -اليوم- إلى ما دون 25%، على الرغم من وجودها تجاريًا في الأسواق منذ خمسينيات القرن الماضي.

يرى المهندس ناصر صبر أن خلايا البيروفسكايت تتميز بسهولة تصنيعها في درجات حرارة منخفضة مقارنة بخلايا السيليكون التي تتطلب درجة حرارة تتجاوز 800 درجة مئوية؛ ما يجعلها تتطلب توفير قدر كبير من الطاقة للتصنيع، مما ينعكس على سعرها.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..