نوع جديد من تكنولوجيا الطاقة الشمسية يمهد الطريق لخلايا وفيرة ورخيصة وقابلة للطباعة

خلايا السيليكون الشمسية هي تقنية راسخة لتوليد الكهرباء من الشمس. لكنها تتطلب الكثير من الطاقة لإنتاجها ، وهي صلبة ويمكن أن تكون هشة.

ومع ذلك ، فإن فئة جديدة من الخلايا الشمسية تتناسب مع أدائها. والأكثر من ذلك ، أنه يمكن الآن طباعتها باستخدام أحبار خاصة ولفها بمرونة حول الأسطح غير المستوية.

لقد طورنا أول خلية شمسية قابلة للدحرجة وقابلة للطباعة بالكامل في العالم مصنوعة من مادة البيروفسكايت ، وهي مادة أقل تكلفة بكثير لإنتاجها من السيليكون. إذا تمكنا أيضًا من تحسين كفاءتها ، فهذا يشير إلى إمكانية صنع خلايا شمسية أرخص على نطاق أكبر بكثير من أي وقت مضى.

إن الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون التي يمكن التعرف عليها لنا محدودة للغاية. إذا تم تصنيع ما يكفي لتغطية احتياجاتنا ، فيمكن أن تنفد المواد اللازمة لتصنيعها بحلول عام 2050. لذلك ، نحتاج إلى شيء جديد والكثير منه. تظهر خلية البيروفسكايت الشمسية لملء تلك الفجوة.

البيروفسكايت عبارة عن هيكل بلوري مصنوع من مكونات غير عضوية وعضوية ، سمي على اسم ليف بيروفسكي ، خبير المعادن الروسي في القرنين السابع عشر والثامن عشر.

ظهرت خلايا البيروفسكايت الشمسية لأول مرة في مختبرات الأبحاث في عام 2012 ولفتت انتباه الباحثين بسبب عاملين: قدرتها على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، وإمكانية تكوينها من مزيج من الأحبار.

في المختبرات البحثية ، باستخدام طرق إنتاج عالية التحكم في البيئات التي يتم فيها إزالة الأكسجين والماء تمامًا ، يمكن الآن لخلايا البيروفسكايت الشمسية أن تتطابق مع توليد الكهرباء لخلايا السيليكون الشمسية. هذا إنجاز رائع.

لكن الخلايا الشمسية البيروفسكايت الرخيصة التي تتخلص من السيليكون لم يتم تصنيعها بعد على نطاق تجاري. إذن ماذا لو تم إنتاج هذه المواد باستخدام نفس أنواع العمليات التي نستخدمها لطباعة العبوات العادية؟

لقد أثبتت أنا وزملائي مؤخرًا أنه يمكن تحميل لفة من الفيلم البلاستيكي في المطبعة ، وتظهر الخلايا الشمسية العاملة من البيروفسكايت في الطرف الآخر. ومع ذلك ، فإن الأمر ليس بهذه البساطة مثل صب الحبر في طابعة سطح المكتب.

لسبب واحد ، وجد العلماء أنه لتحقيق كفاءات قياسية ، يجب أن تكون طبقات أشباه الموصلات والبيروفسكايت في هذا الشكل الجديد من الخلايا الشمسية رفيعة للغاية – ما بين 50 و 500 نانومتر (حوالي 500 مرة أصغر من شعرة الإنسان).

كما أن الأحبار المستخدمة في طباعتها تتطلب مذيبات شديدة السمية. ولكن ، بعد سنوات عديدة من الجهد ، قمنا الآن بصياغة أحبار بدون مذيبات سامة متوافقة مع عملية طلاء الفتحة – وهي تقنية صناعية راسخة تستخدم في الأصل لإنتاج أفلام التصوير الفوتوغرافي.

كيف تعمل خليتنا الشمسية

تولد طبقة البيروفسكايت المطبوعة إلكترونات حرة من الطاقة التي يوفرها الضوء الذي يضربها. ثم يمنع أشباه الموصلات البيروفسكايت من إعادة امتصاص هذه الإلكترونات بكفاءة تحويل طاقة جيدة (نسبة الطاقة الضوئية إلى الطاقة الكهربائية الخارجة).

بقيت مشكلة واحدة: كيفية استخراج الشحنة الكهربائية. في الماضي ، تم تحقيق ذلك عن طريق تسخين الذهب في فراغ حتى يتبخر ، والتقاط البخار على خلية البيروفسكايت الشمسية لتكوين أقطاب كهربائية.

اتخذنا نهجًا مختلفًا ، حيث أنشأنا حبرًا كربونيًا متوافقًا مع كل من مادة البيروفسكايت وعملية الطلاء بالقالب ذو الفتحة. والنتيجة هي كميات كبيرة من الخلايا الشمسية المرنة والقابلة للدحرجة التي تخرج من المطبعة جاهزة لتوليد الطاقة.

المزيد من العمل المطلوب

أظهرت خلايا البيروفسكايت الشمسية أداءً عاليًا في مختبرات الأبحاث ، وقد أثبتت الآن قدرتها على تحقيق قفزة في مجال التصنيع بكميات كبيرة. لكن المهمة لم تنته بعد.

تعد كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 10 ٪ التي حققتها هذه الخلايا المطبوعة القابلة للدوران مفيدة ، وهي أعلى من ألواح السيليكون التجارية الأولى. لكنها تتخلف عن كفاءة التحويل النموذجية البالغة 17٪ للألواح الشمسية المحلية المستخدمة اليوم.

نحن نعلم أن هناك زيادات أخرى متاحة من خلال الاستفادة من كيمياء البيروفسكايت عالية الأداء.

هناك تحد هندسي يجب التغلب عليه من أجل أن تتطابق الألواح الشمسية البيروفسكايت ذات الحجم الكبير والمنتجة تجاريًا مع توليد الطاقة من السيليكون. هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من التحسينات في استقرار عمر الخلايا الشمسية من البيروفسكايت – من خلال مزيج من الكيمياء وتصميم الجهاز والاستراتيجيات الأخرى مثل الطلاءات الواقية وأغشية الحاجز الرقائقي.

باختصار ، يحتاج البحث إلى التركيز على تحويل ما يحدث في المختبرات إلى أجهزة حقيقية. لكن إمكانية إنتاج مئات الآلاف من الأمتار المربعة من خلايا بيروفسكايت الشمسية المرنة أصبحت الآن خطوة أقرب.