خطوة لخلايا شمسية من البيروفسكايت أكثر مناسبةً لمناخنا من السيليكون

[القاهرة] أكسب باحثون خلايا بيروفسكايت الشمسية ثباتًا حراريًّا، رفع كفاءتها؛ لتناسب العمل في أي مناخ طبيعي متطرف.

اكتُشف البيروفسكايت لأول مرة عام 1839، وأثبت العلماء في عام 2009 خصائصه الكهروضوئية، وتم إنتاج أول خلية شمسية منه في عام 2011، بكفاءة بلغت 3.5%.

ومنذ عام 2011 وحتى الآن، قفز ’البيروفسكايت‘ الهجين بكفاءة الخلايا الشمسية المبنية عليه إلى 25.7%، في حين احتاج السيليكون -وهو سيد هذا المضمار- إلى عقود حتى يبلغ هذه النسبة.

ولم يجر إنتاج خلايا بيروفسكايت الشمسية بعدُ على نطاق تجاري، بسبب سيطرة خلايا السيليكون؛  الأطول عمرًا، والأقل تلويثًا للبيئة، رغم أنها الأكثر تكلفة، ما دفع الفرق البحثية في كل العالم للعمل على إكساب خلايا ’البيروفسكايت‘ مزايا منافِسة للسيليكون، فضلًا عن علاج أبرز عيوبها، وهو عمرها القصير.

ولا تنصرف جهود تلك الفرق إلى تحسين خصائص معدن البيروفسكايت الموجود في الطبيعية، والذي يتركب من الكالسيوم والتيتانيوم والأكسجين، بقدر ما ينصبُّ العمل على أي مركب يتخذ التكوين البلوري نفسه، على أن تكون صيغته الكيميائيّة ABX3.

من ثم يطلق اسم بيروفسكايت -وتكون خلاياه الشمسية أكثر فاعلية- على المركب ذي الصيغة التي يشغل فيها A أيون عضوي كبير وغالبًا ما يكون الرصاص أو القصدير، وB مادة عضوية موجبة الشحنة مثل ميثيل أمونيوم، وX هالوجين سالب الشحنة قد يكون الكلور أو اليود مثلًا.

من الجهود المبذولة لتحسين خصائص البيروفسكايت، ما أجراه  فريق من جنسيات عدة بمركز هلمهولتز برلين للمواد والطاقة في ألمانيا، وشاركهم المصري محمود الدماصي، باحث دكتوراة.

يقول الدماصي لشبكة SciDev.Net: ”توصلت الفرق البحثية إلى إنتاج خلايا شمسية من (البيروفسكايت) تعمل بكفاءة حتى عمر 10 سنوات، ولا يزال هذا العمر أقل بنحو 10 سنوات من عمر خلايا السيليكون“.

”ولكن عند المقارنة من حيث التكلفة، يمكن أن يكون عمر 10-15 سنة لخلايا (البيروفسكايت) ذا جدوى اقتصادية أفضل“.

وبينما تسير الأبحاث حاليًّا بقوة نحو رفع العمر الافتراضي، لإكساب تلك الخلايا المزيد من الجدوى الاقتصادية، يشير الدماصي إلى أن بحثهم يركز على إكساب تلك الخلايا ميزةً تنافسيةً أخرى، وهي (الثبات الحراري)، إذ نجحوا في الوصول إلى معدل لم يسبقهم إليه أحد.

وخلال الدراسة المنشورة في 26 يناير الماضي بدورية ’العلوم‘، أعلن الفريق البحثي عن نجاحه في التوصل إلى تطوير خلية شمسية من نوع ’البيروفسكايت‘، قادرة على الحفاظ على كفاءتها وثباتها الكيميائي والفيزيائي فى درجات الحرارة المتطرفة ”من سالب 60 درجة مئوية وحتى 80 درجة“، وهو ما يجعلها مناسبةً للعمل على نحوٍ أفضل في المناطق الصحراوية التي تمثل مساحاتٍ شاسعةً من المنطقة العربية، حيث يتميز الطقس بالتبايُن الشديد بين حر شديد نهارًا، وبرد قارس ليلًا، كما يمكن لهذه الخلايا العمل حتى في مناطق مثل القطب الشمالي.

يوضح الدماصي أنهم نجحوا في ذلك بعد استخدام مادة عالية القطبية تُعرف اختصارًا باسم جزيئات توبو، تحسِّن -عند وضعها على سطح خلايا البيروفسكايت- من خصائصها الفيزيائية والكيميائية والكهروضوئية، مما يُكسبها ثباتًا حراريًّا.

الخلية المعاملة بتلك المادة حققت كفاءة تحويل للطاقة بلغت 24.6% على مساحة 18 ملليمترًا مربعًا، و23.1٪ على مساحة أكبر تبلغ سنتيمترًا مربعًا واحدًا، واحتفظت بحوالي 96٪ و88٪ من كفاءتها بعد ظروف الاختبار لمدة 1000 ساعة، التي تمت باستخدام المُحاكيات الضوئية المعملية.

ويتعاون الفريق البحثي في المرحلة المقبلة مع بعض الشركات الألمانية التي تعمل على نقل تكنولوجيا خلايا ’البيروفسكايت‘ من المعمل إلى التطبيق العملي، لاختبار وتجربة مزايا ’الثبات الحراري‘ التي تم إثباتها في البحث.

من جانبه، فإن صلاح عبية -مدير ومؤسس مركز الفوتونات والمواد الذكية بمدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا- يصف معدل الثبات الحراري الذي توصل إليه الباحثون بأنه ”غير مسبوق“، لكنه من ناحية أخرى يرى أن المنطقة العربية وأغلب مناطق العالم ليست بحاجة إلى هذه المعدلات الكبيرة التي وصلت إليها الدراسة.

يقول عبية لشبكة SciDev.Net: ”من الجيد الوصول إلى هذه المعدلات بطبيعة الحال، لكن إذا كانت هناك مقارنة بالسيليكون في الثبات الحراري، فإن المعدلات التي وصل إليها السيليكون هي معدلات تشغيلية مناسبة للغاية لدرجات الحرارة في مناطق العالم المأهولة بالسكان“.

ويستطرد: ”ولكن المناخ المتطرف جدًّا لا يوجد إلا في مناطق محدودة جدًّا على سطح الأرض، وهي مناطق غير مأهولة بالسكان، وبالتالي لن تكون بحاجة إلى استخدام خلايا شمسية“.

ومع ذلك، يعد عبية هذا البحث وغيره من الأبحاث في مجال خلايا (البيروفسكايت) خطوات مهمة، لنقل تلك التكنولوجيا من المعمل إلى التطبيق العملي، لكي تصبح أسهل في الإنتاج من السيليكون.

يوضح عبية: ”إنتاج (البيروفسكايت) معمليًّا سهل للغاية، لكن على النطاق الصناعي هو أصعب في الوقت الراهن من السيليكون، الذي أصبحت له تكنولوجيا إنتاج مستقرة منذ سنوات، ورغم كونها مكلفة، وتمر بخطوات كثيرة، لكنها صارت متاحة“.

من جانبها، تثني زميلته شيماء علي -الباحثة المتخصصة في الخلايا الشمسية بالمركز نفسه- على معدل الثبات الحراري الذي توصل إليه الفريق البحثي.

تقول شيماء: ”إذا وصلت الخلايا إلى معدل عمر افتراضي 10 سنوات، مع ميزة الثبات الحراري التي تحققت بمعدلات أعلى من المطلوب، فستكون قد حصلت على ميزة تنافسية مهمة، شريطة التغاضي عن مشكلة الرصاص، التي تُعد من عوائق التطبيق التجاري لتلك الخلايا“.

ويدخل في تصنيع تلك الخلايا ’الرصاص‘، الذي يُعد مشكلة بيئية عند انتهاء عمر الخلايا الافتراضي، بسبب قابليته للذوبان في الماء، مما يجعله خطرًا على مجاري الأنهار والتربة الزراعية.

يعتقد الدماصي أن تلك المشكلة سيتم التغاضي عنها، أسوةً ببعض المنتجات التي يكون هناك احتياج كبير إليها، وذلك في مقابل اتخاذ بعض الإجراءات التي تحول دون وصول الرصاص إلى المجاري المائية أو التربة الزراعية، كما توجد محاولات أخرى لإحلال القصدير محل الرصاص.

يحاول الدماصي من خلال رسالة الدكتوراة التي يعمل عليها حاليًّا استبدال القصدير بالرصاص، ويقول: ”القصدير أيضًا من المواد شديدة السمية، ولكن فى حالة تلف الخلية أو تسرُّب مكوناتها إلى البيئة الخارجية فإنه يتأكسد إلى أكسيد القصدير بمجرد تعرُّضه للهواء، وهو مادة لا تذوب في الماء، وبالتالي لن تمثل خطرًا على البيئة، ووصلت حاليًّا إلى مستوى كفاءة 14%، وأعمل على تحسينها“.

ويضيف: ”أما فيما يتعلق بالعمر الافتراضي لخليتنا الجديدة، فنتوقع أن يصل إلى 10 سنوات فى ظروف التشغيل الطبيعية، وكان الهدف من رفع الثبات الحراري لهذا المعدل إثبات القدرات التشغيلية العالية لخلايا البيروفسكايت الشمسية، ومنافستها للسيليكون في هذا المعيار المهم“.

هذا الموضوع أنتج عبر المكتب الإقليمي لموقع SciDev.Net بإقليم الشرق الأوسط وشمال أفريقيا