"البروفسكيت".. أمل الطاقة المتجددة
مراكز بحوث عديدة تسعى لتحسين أداء مادة بروفسكيت (Getty)
في عام 2011، عرض علماء من جامعة توان في يوكوهاما وصفة سحرية لصناعة خلايا كهروضوئية من مادة جديدة تُسمى "البروفسكيت"، عوضاً عن مادة السليكون المستخدمة. ولم يتجاوز آنذاك مردود الطاقة الناتج عن تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي 3.8% للمادة الجديدة. ولكن لم يعبأ أحد بهذه المعلومات ولم تجد اهتماماً، سوى من طالب يدعى ميشال لي، كان حاضراً أثناء العرض الذي قدمه العلماء. وبمجرد رجوعه إلى مختبره "كلاروندون" في جامعة أكسفورد، أجرى الطالب مجموعة تغييرات على الوصفة الأولى التي قدمها العلماء. ونتيجة لذلك، توصل لخلية كهروضوئية ذات مردود طاقة يزيد على 10%.
ولقي هذا الخبر صدى عالمياً كبيراً، حيث أشعل شرارة انطلاق البحث في الطاقات المتجددة -كما فعلت أخبار اكتشاف البترول من قبل-، وأصبح السباق محموماً بين مراكز أبحاث عديدة لتطوير ورفع مردود الطاقة لخلايا البروفسكيت. وخلال ثلاث سنوات فقط وصل مردود البروفسكيت (في نوفمبر 2014) إلى 5 أضعاف المردود الأولي، حيث سجل 20.1%، وذلك نتيجة لأعمال المعهد الكوري للبحث في تكنولوجيا الكيمياء.
وبالمقارنة بمسيرة تطوير خلايا السليكون، نجد أن خلايا السليكون وصلت بعد عشرات السنوات من البحث إلى مردود 25%، بينما من المتوقع للمادة الجديدة البروفسكيت أن تتعدى ذلك في غضون السنوات القليلة المقبلة.
وتتميز مادة البروفسكيت بوفرة المكونات، وسهولة تغيير تركيبتها الكيميائية من طرف الباحثين، والتكلفة البسيطة، واعتمادها على درجات حرارة منخفضة في عملية تصنيعها من أجل الحصول على طبقات دقيقة. وتتكون البروفسكيت من تركيبة بلورية شبيهة لطبقات السليكون ذات الكلفة العالية والمصنعة في درجات حرارية عالية. كما يتوقع الحصول مستقبلاً على لفائف من مادة البروفسكيت، رفيعة ولينة، بهدف إنشاء أوراق أو أغلفة كهروضوئية خفيفة، لينة وملونة باستخدام طابعة خاصة.
اقرأ أيضاً: قفاز لتحويل لغة الإشارة إلى كتابة
وبالرغم من أهمية خلايا البروفسكيت، فإنها تواجه بعض العقبات المعتبرة التي تعيقها حالياً عن منافسة السليكون. فالنماذج المقترحة الحالية لا يتجاوز حجمها مساحة ظفر السبابة، ما دفع الباحثين للعمل على إيجاد طريقة لتوفيرها بمساحات كبيرة. والسعي بقوة لتحسين مستوى الأمان والاستقرار لهذا النوع من الخلايا الكهروضوئية على المدى الطويل.
ونبين هنا بعضاً من الأمور المهمة، منها أن أعلى مردود طاقة لخلايا السليكون حالياً يلامس 25.6%، فما سبب عدم وصول المردود إلى 100%؟ وما هي مميزات مادة البروفسكيت التي تعطيها الأفضلية على السليكون؟
الجواب والتوضيح يكمن في الإلكترون، وهو الجزيء الأساسي للتيار الكهربائي، فعندما تكون الخلية الكهروضوئية في ظلام دامس، فإن إلكترونات المادة تظل مرتبطة بالذرات المتعلقة بها، وفي هذه الحالة ينعدم التيار الكهربائي، ولكن عندما تتعرض الخلية لضوء الشمس، فإن بعض الإلكترونات تتحرر من ذراتها وتتحرك ضمن المادة. أما التي اكتسبت طاقة إضافية، فتسمى إلكترونات محرضة، تستطيع عبور الشبكة البلورية للمادة بطريقة عشوائية حتى وصولها إلى نهاية الطبقة، حيث يتواجد القطب الكهربائي الذي يتكون فيه تيار مفيد يمكن استغلاله، أو يعترضه حاجز أو مصيدة فيزيائية يفقد خلالها طاقته الزائدة عن طريق الحرارة.
وكلما ازدادت دقة معمارية البلور، كلما انخفضت احتمالية وجود عيوب تعرقل مسار الإلكترون، وعادة لخفض العيوب في خلايا السليكون، يتم تسخينها في درجة حرارة عالية، قد تصل إلى 900 درجة مئوية. خلافاً لمادة البروفسكيت، التي على الأغلب لا تحتوي على عيوب، إذا ما عُولِجت في درجات حرارية تقارب 100 درجة مئوية. فإذا كانت الطاقة الكهربائية للخلية تحسب عن طريق عملية ضرب قيمة تدفق الإلكترونات الخارجة من الخلية (شدة التيار)، بقيمة الطاقة التي تحملها أثناء خروجها (توتر التيار)، فإن خلية البروفسكيت لديها مردود يضاهي خلية السليكون، مع الأخذ بعين الاعتبار سهولة إنتاجها.
اقرأ أيضاً: السنكروترون الأوروبي.. المجهر الدقيق
وإلى ذلك، فإن الطاقة التي يمكن لخلية شمسية متكونة من شبه موصل مثل السليكون أو البروفسكيت أن تحولها إلى تيار كهربائي تعتبر محدودة. ويرجع ذلك إلى حاجز الطاقة الذي تتميز به أشباه الموصلات في منع الإلكترونات، وهي بمقدار يساوي قيمة الطاقة الدنيا لتحرير الإلكترونات.
وتتكون أشعة الشمس من جميع أطياف الضوء، بطول أمواج مختلفة في النطاق المرئي. ويتكون الضوء عادة من فوتونات تحمل طاقة معينة، يمكن أن يمتصها الإلكترون دون غيرها حتى يتحرر. أما بقية الفوتونات الأخرى، فإنها تعبر المادة بدون إحداث أي تأثير يُذكَر.
ويختلف حاجز الطاقة باختلاف أشباه الموصلات، حيث به يتحدد المفهوم الأساسي التالي: "كلما انحصر حاجز الطاقة، كلما استطاعت الخلية امتصاص ضوء الشمس القادر على تحريض الإلكترونات"، إلا أن الطاقة المسندة لكل إلكترون تكون ضئيلة.
وبالرغم من أن الطاقة الكهربائية تستند في الوقت نفسه على عدد وطاقة الإلكترونات، مما ينعكس على مردود الخلية الكهروضوئية، وإن كانت تتميز بحاجز طاقة مثالي، فإنها لا تستطيع تحويل إلا ما يقارب 33% من الطاقة الشمسية.
ويعرف السليكون بحاجز طاقة ثابت وهو ليس بالمثالي، غير أنه يسيطر على قطاع صناعة الطاقة الشمسية، ويرجع ذلك لمعرفة وفاعلية العملية الصناعية المرتبطة بهذه التكنولوجيا.
وخلافاً لذلك، يستطيع الباحثون ضبط حاجز الطاقة عند البروفسكيت، عن طريق تغيير خليط المكونات، مما يعطي الأمل في أن يتجاوز المردود الذي توصلت إليه مادة السليكون.
كما يستطيع الباحثون ترصيف طبقات البروفسكيت ذات حواجز طاقة مختلفة، حيث إن تركيب طبقتين فوق بعضهما البعض قد يسمح بتجاوز سقف 33% من مردود الطاقة. ووفقاً لبعض التوقعات والحسابات النظرية، فإن كفاءة الطاقة يمكنها الوصول إلى 46%.
اقرأ أيضاً: رصد جودة الهواء عبر الهواتف الذكية
ولقي هذا الخبر صدى عالمياً كبيراً، حيث أشعل شرارة انطلاق البحث في الطاقات المتجددة -كما فعلت أخبار اكتشاف البترول من قبل-، وأصبح السباق محموماً بين مراكز أبحاث عديدة لتطوير ورفع مردود الطاقة لخلايا البروفسكيت. وخلال ثلاث سنوات فقط وصل مردود البروفسكيت (في نوفمبر 2014) إلى 5 أضعاف المردود الأولي، حيث سجل 20.1%، وذلك نتيجة لأعمال المعهد الكوري للبحث في تكنولوجيا الكيمياء.
وبالمقارنة بمسيرة تطوير خلايا السليكون، نجد أن خلايا السليكون وصلت بعد عشرات السنوات من البحث إلى مردود 25%، بينما من المتوقع للمادة الجديدة البروفسكيت أن تتعدى ذلك في غضون السنوات القليلة المقبلة.
وتتميز مادة البروفسكيت بوفرة المكونات، وسهولة تغيير تركيبتها الكيميائية من طرف الباحثين، والتكلفة البسيطة، واعتمادها على درجات حرارة منخفضة في عملية تصنيعها من أجل الحصول على طبقات دقيقة. وتتكون البروفسكيت من تركيبة بلورية شبيهة لطبقات السليكون ذات الكلفة العالية والمصنعة في درجات حرارية عالية. كما يتوقع الحصول مستقبلاً على لفائف من مادة البروفسكيت، رفيعة ولينة، بهدف إنشاء أوراق أو أغلفة كهروضوئية خفيفة، لينة وملونة باستخدام طابعة خاصة.
اقرأ أيضاً: قفاز لتحويل لغة الإشارة إلى كتابة
وبالرغم من أهمية خلايا البروفسكيت، فإنها تواجه بعض العقبات المعتبرة التي تعيقها حالياً عن منافسة السليكون. فالنماذج المقترحة الحالية لا يتجاوز حجمها مساحة ظفر السبابة، ما دفع الباحثين للعمل على إيجاد طريقة لتوفيرها بمساحات كبيرة. والسعي بقوة لتحسين مستوى الأمان والاستقرار لهذا النوع من الخلايا الكهروضوئية على المدى الطويل.
ونبين هنا بعضاً من الأمور المهمة، منها أن أعلى مردود طاقة لخلايا السليكون حالياً يلامس 25.6%، فما سبب عدم وصول المردود إلى 100%؟ وما هي مميزات مادة البروفسكيت التي تعطيها الأفضلية على السليكون؟
الجواب والتوضيح يكمن في الإلكترون، وهو الجزيء الأساسي للتيار الكهربائي، فعندما تكون الخلية الكهروضوئية في ظلام دامس، فإن إلكترونات المادة تظل مرتبطة بالذرات المتعلقة بها، وفي هذه الحالة ينعدم التيار الكهربائي، ولكن عندما تتعرض الخلية لضوء الشمس، فإن بعض الإلكترونات تتحرر من ذراتها وتتحرك ضمن المادة. أما التي اكتسبت طاقة إضافية، فتسمى إلكترونات محرضة، تستطيع عبور الشبكة البلورية للمادة بطريقة عشوائية حتى وصولها إلى نهاية الطبقة، حيث يتواجد القطب الكهربائي الذي يتكون فيه تيار مفيد يمكن استغلاله، أو يعترضه حاجز أو مصيدة فيزيائية يفقد خلالها طاقته الزائدة عن طريق الحرارة.
وكلما ازدادت دقة معمارية البلور، كلما انخفضت احتمالية وجود عيوب تعرقل مسار الإلكترون، وعادة لخفض العيوب في خلايا السليكون، يتم تسخينها في درجة حرارة عالية، قد تصل إلى 900 درجة مئوية. خلافاً لمادة البروفسكيت، التي على الأغلب لا تحتوي على عيوب، إذا ما عُولِجت في درجات حرارية تقارب 100 درجة مئوية. فإذا كانت الطاقة الكهربائية للخلية تحسب عن طريق عملية ضرب قيمة تدفق الإلكترونات الخارجة من الخلية (شدة التيار)، بقيمة الطاقة التي تحملها أثناء خروجها (توتر التيار)، فإن خلية البروفسكيت لديها مردود يضاهي خلية السليكون، مع الأخذ بعين الاعتبار سهولة إنتاجها.
اقرأ أيضاً: السنكروترون الأوروبي.. المجهر الدقيق
وإلى ذلك، فإن الطاقة التي يمكن لخلية شمسية متكونة من شبه موصل مثل السليكون أو البروفسكيت أن تحولها إلى تيار كهربائي تعتبر محدودة. ويرجع ذلك إلى حاجز الطاقة الذي تتميز به أشباه الموصلات في منع الإلكترونات، وهي بمقدار يساوي قيمة الطاقة الدنيا لتحرير الإلكترونات.
وتتكون أشعة الشمس من جميع أطياف الضوء، بطول أمواج مختلفة في النطاق المرئي. ويتكون الضوء عادة من فوتونات تحمل طاقة معينة، يمكن أن يمتصها الإلكترون دون غيرها حتى يتحرر. أما بقية الفوتونات الأخرى، فإنها تعبر المادة بدون إحداث أي تأثير يُذكَر.
ويختلف حاجز الطاقة باختلاف أشباه الموصلات، حيث به يتحدد المفهوم الأساسي التالي: "كلما انحصر حاجز الطاقة، كلما استطاعت الخلية امتصاص ضوء الشمس القادر على تحريض الإلكترونات"، إلا أن الطاقة المسندة لكل إلكترون تكون ضئيلة.
وبالرغم من أن الطاقة الكهربائية تستند في الوقت نفسه على عدد وطاقة الإلكترونات، مما ينعكس على مردود الخلية الكهروضوئية، وإن كانت تتميز بحاجز طاقة مثالي، فإنها لا تستطيع تحويل إلا ما يقارب 33% من الطاقة الشمسية.
ويعرف السليكون بحاجز طاقة ثابت وهو ليس بالمثالي، غير أنه يسيطر على قطاع صناعة الطاقة الشمسية، ويرجع ذلك لمعرفة وفاعلية العملية الصناعية المرتبطة بهذه التكنولوجيا.
وخلافاً لذلك، يستطيع الباحثون ضبط حاجز الطاقة عند البروفسكيت، عن طريق تغيير خليط المكونات، مما يعطي الأمل في أن يتجاوز المردود الذي توصلت إليه مادة السليكون.
كما يستطيع الباحثون ترصيف طبقات البروفسكيت ذات حواجز طاقة مختلفة، حيث إن تركيب طبقتين فوق بعضهما البعض قد يسمح بتجاوز سقف 33% من مردود الطاقة. ووفقاً لبعض التوقعات والحسابات النظرية، فإن كفاءة الطاقة يمكنها الوصول إلى 46%.
اقرأ أيضاً: رصد جودة الهواء عبر الهواتف الذكية
