س و ج حول الخلايا الشمسية الترادفية

تهيمن خلايا السيليكون البلوري على السوق العالمية للخلايا الكهروضوئية بكفاءة تدور حول 20% إلى 22٪، وهناك مساعٍ لرفع هذه النسبة عن طريق بدائل، منها خلايا ’البيروفسكايت‘ الشمسية، التي حققت بالتجربة نسبةً أعلى، ولكن يعيبها قِصر العمر الافتراضي، الذي تعمل فرق بحثية في عدة أنحاء بالعالم على إطالته، حتى تصير منافسًا.

وفي إطار البحث عن البدائل، ثمة اتجاه واعد ’يردف‘ البيروفسكايت بالسيليكون، فيطلق على خلاياه ’الترادفية‘، وكانت أعلى كفاءة تحويل طاقة بهذا النوع حتى شهر مارس الماضي حوالي (32.5%)، وسجلت باسم ’مركز هلمهولتز برلين للمواد والطاقة‘.

غير أن فريقًا بحثيًّا من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية بالسعودية ’كاوست‘ وضع قدمًا عربيةً في مجال تطويرها بكفاءة أعلى، وذلك بنجاحه في تجاوز رقم المركز الألماني، بالإعلان في شهر إبريل الماضي عن الوصول إلى نسبة (33.2%)، وبعد مرور نحو شهر أعلنوا عن رقم جديد، وهو (33.7%)، وصادقت مصلحة اختبار الطاقة الشمسية الأوروبية على الرقمين.

فما هي دلالة هذا الاعتماد الأوروبي؟ وما هي الجدوى الاقتصادية من إنتاج تلك الخلايا؟ وكيف يمكن أن تكون إحدى أدوات مواجهة تغير المناخ؟ طرحت هذه الأسئلة وغيرها على الباحث أركان أيدين، من مركز ’هندسة الطاقة الشمسية والخلايا الضوئية‘ بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، وعضو الفريق صاحب هذا الإنجاز، ليجيب عنها في حواره لشبكة SciDev.Net.

بداية: ماهي الخلايا الشمسية التردافية؟

هي خلايا تجمع بين ’البيروفسكايت‘ و’السيليكون‘، ويعتمد تصنيعها على تغطية السطح الهرمي لخلايا السيليكون بحجم ’ميكرومتر‘ بمادة البيروفسكايت، ويعمل الجمع بينهما على زيادة امتصاص ضوء الشمس وتحويله إلى جهد كهربائي على نحوٍ أكثر كفاءةً من خلايا السيليكون التقليدية.

وما هي الآلية وراء هذه الكفاءة العالية؟

الفكرة أن طبقة البيروفسكايت العلوية أفضل امتصاصًا للضوء الأزرق من أشعة الشمس، وتمتص طبقة الأساس السيليكونية الضوء الأحمر، وهذا من شأنه زيادة التقاط ضوء الشمس ومن ثم زيادة كفاءة تحويل الطاقة.

وكيف استطعتم كسر الرقم العالمي في تحويل الطاقة باستخدام تلك الخلايا؟

لم يأتِ ذلك بين يوم وليلة، فنحن في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية نعمل على هذه الخلايا منذ سبع سنوات، والآن يُعد مركز الطاقة الشمسية لدينا واحدًا من أفضل المراكز التي تقدم تقارير عن الخلايا عالية الكفاءة، ونود مواصلة البحث لإثبات الإمكانيات الكاملة لتلك التكنولوجيا، بالإضافة إلى التركيز على قابلية منهجيات التصنيع.

أفهم من ذلك أننا سنكون على موعد دائم مع أرقام جديدة يُعلَن عنها حول كفاءة تحويل الطاقة باستخدام تلك الخلايا؟

وصلنا الآن إلى فارق نحو 11% في كفاءة تحويل الطاقة بين الخلايا التقليدية والخلايا الترادفية الجديدة، وهدفنا أن نصل إلى نحو 20%.

وهل تحقيق هذا الهدف يمكن أن يجعل تلك الخلية ذات جدوى اقتصادية، عند وضعها في مقارنة مع الخلايا التقليدية؟

ماذا تقصد بالجدوى الاقتصادية؟

أقصد أنكم حققتم ميزةً في عنصر الكفاءة، لكن قد يكون السعر المرتفع وعمر الخلية غير مشجع على الاستثمار فيها؟ 

من خلال دمج معالجة خلايا البيروفسكايت على رقائق السيليكون، من المتوقع أن تكون التكلفة الإضافية لتلك الخلايا ضئيلةً بسبب خطوات المعالجة المبسطة، ونعمل حاليًّا على اختبار العمر الافتراضي لها، لكن لا أتصور أنه سيختلف كثيرًا عن خلايا السيليكون.

كما أن تلك الخلايا الترادفية توفر كفاءةً أعلى مقارنةً بخلاياها الفرعية الفردية، وتتيح هذه الكفاءة المتزايدة توليد المزيد من الطاقة من المنطقة المضيئة نفسها.

وماذا عن العمل في المناخات القاسية؟ هل تستطيع تلك الخلية الترادفية تحقيق إنجاز سابق حققه مركز هلمهولتز برلين للمواد والطاقة، الذي نجح باحثوه في تطوير خلايا تعمل في المناخات القاسية، من 60 درجة مئوية تحت الصفر إلى 80 درجة مئوية؟

لا تزال الخلايا الترادفية تخضع للتمحيص والتجربة باستخدام بروتوكولات الاختبار المعجَّل، وأجرى فريق البحث لدينا اختبار حرارة نسبية (85 درجة مئوية) لتقييم أداء الخلايا في ظل ظروف قاسية، بالإضافة إلى ذلك، فإن بروتوكولات اختبار اللجنة الكهروتقنية الدولية تتضمن اختبار الدورة الحرارية، الذي يُخضع الخلايا لدرجات حرارة تتراوح بين (40 و85 درجة مئوية)، لمحاكاة تأثيرات الطقس، وعلى الرغم من عدم وجود تقارير منشورة حول هذا الاختبار، يعمل فريق البحث لدينا بجد على إجراء اختبار الدورة الحرارية وتوثيق نتائجه.

هل هناك تجارب مستقبلية ستُجرى على تلك الخلية بعد تصنيعها بأحجام أكبر لاختبار مدى تحقيق المزايا نفسها بأحجام كبيرة؟

هناك العديد من الشركات والمؤسسات البحثية التي تشارك بنشاط في برامج البحث التي تهدف إلى توسيع نطاق تكنولوجيا الخلايا الشمسية الترادفية، وإحدى المؤسسات البارزة التي تبذل جهودًا كبيرة في هذا الاتجاه مركز جامعة الملك عبد الله للطاقة الشمسية.

رغم ما تحقق من إنجاز على المستوى البحثي، قد يسأل سائل عن مدى توافر مواد إنتاج الخلايا الشمسية التردافية في البيئة العربية بما يتيح الإنتاج التجاري لتلك الخلايا؟

بالقطع ليس في المملكة العربية السعودية حاليًّا صناعة راسخة في مجال الخلايا الشمسية الأشهر، وهي خلايا السيليكون، ولكن من ناحية أخرى، تنتمي خلايا البيروفسكايت الشمسية إلى مجال ناشئ، وهذا يمثل فرصةً للدول العربية، بما في ذلك السعودية، لتطوير المواد الخام اللازمة لتصنيع هذه الخلايا.

وإذ يتضمن تحضير خلايا البيروفسكايت مواد كيميائية قائمة على الرصاص مع أملاح عضوية وغير عضوية أخرى مدخلات في عملية التصنيع، ومن خلال التركيز على تطوير هذه المواد وإنتاجها، يمكن للدول العربية المساهمة في نمو صناعة البيروفسكايت وسلسلة التوريد المرتبطة بها.

بما أنكم أصبحتم تملكون تكنولوجيا التصنيع، هل هناك تفكير في ’كاوست‘ لتدشين شركة تستثمر في هذه الخلايا؟

لا توجد في ’كاوست‘ حاليًّا مبادرة لتأسيس شركة لهذا الغرض، ومع ذلك، فإننا على اتصال ببعض الشركات الدولية المصنعة للخلايا الكهروضوئية لإيجاد تعاون صناعي.

وهل اعتماد خليتكم من مصلحة اختبار الطاقة الشمسية الأوروبية يسهل هذا التعاون؟

بالقطع، فإن اعتماد الخلايا من تلك الجهة يُكسب الخلايا موثوقية، وهو أمر مطلوب لتصنيع هذه الخلايا.

ومتى تتوقع أن تصبح الخلايا الترادفية متاحةً تجاريًّا؟

أعلنت العديد من الشركات التزامها ببرامج تطوير المنتجات المتعلقة بتصنيع الخلايا الترادفية، ومن المتوقع أن تظهر هذه الخلايا لأول مرة في السوق بحلول عام 2030، فإدخال مثل هذه المنتجات له قدرة على إحداث ثورة في صناعة الطاقة الشمسية من خلال توفير حلول عالية الكفاءة وفعالة من حيث التكلفة لتوليد الكهرباء.

تقدر توقعات السوق أن تلك الخلايا الترادفية ستشمل أكثر من ١٠ مليارات دولار من حصة السوق العالمية للخلايا الكهروضوئية، بحلول عام 2032.

وأخيرًا: كيف تدعم هذه الخلايا الشمسية جهود مكافحة تغير المناخ؟

أعربت العديد من الدول عن أهداف خالية من الكربون بحلول عام 2050 لتجنُّب الآثار الكارثية المتوقعة لتغيُّر المناخ، ومن المتوقع أن تؤدي الخلايا الكهروضوئية دورًا رئيسًا في ذلك، بفضل قدرتها التنافسية من حيث التكلفة والتقدم التكنولوجي المستمر ووفرة الطاقة الشمسية.

وفي عام 2022، وصلت السعة الكهروضوئية التراكمية المثبتة في العالم إلى مقياس تيراواط، ومع ذلك، فلتحقيق انتقال الطاقة بسرعة، يجب أن تنخفض تكلفة الكهرباء القادمة من المصادر الكهروضوئية بشكل أكبر، الأمر الذي يتطلب تحسيناتٍ مستمرةً في كفاءة تحويل الطاقة للنظام الكهروضوئي، بما يتجاوز ما يمكن تحقيقه من خلايا السيليكون، وهي التكنولوجيا الوحيدة المتوافرة.

 ولهذا الغرض، تعتبر الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون معًا ذات أهمية كبيرة بحسبانها تقنيةً كهروضوئيةً مستقبلية؛ لأنها تَعِد بمستويات عالية من كفاءة تحويل الطاقة بتكلفة معقولة، لذلك يمكنها المساهمة في تسريع الانتقال إلى مصادر الطاقة النظيفة.

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