تم نشره على: 8 مارس 2025 / تحديث من: 8 مارس 2025 - المؤلف: Konrad Wolfenstein
الخلايا الشمسية Perowskit: إمكانات الخلايا الكهروضوئية الشفافة للمباني الحديثة ومشاريع الكهروضوئية: Xpert.Digital
انتقال الطاقة الشفافة: توليد الكهرباء من خلال تكنولوجيا النوافذ المبتكرة
الخلايا الشمسية Perowskit: صانعي المستقبل للنوافذ الذكية
يفتح تطوير الخلايا الشمسية الشفافة ذات الكفاءة العالية وجهات نظر جديدة لتكامل الخلايا الكهروضوئية في المباني. برزت الخلايا الشمسية Perowskit على وجه الخصوص كمرشح واعد لهذا التطبيق في السنوات الأخيرة. مع كفاءة تصل إلى 31.6 في المائة ، فإن إمكانية وجود إصدارات شفافة والإنتاج غير المكلف قد تحدث ثورة في استخدام الطاقة الشمسية. أظهرت نتائج الأبحاث الحالية أن الاستقرار الإشكالي سابقًا لهذه الخلايا يمكن تحسينه بشكل كبير. إن التطبيقات كأجزاء للنوافذ الذكية التي لا تولد الكهرباء فحسب ، بل يمكنها أيضًا تكييف شفافيةها مع الظروف المحيطة إلى الأمام.
مناسب ل:
أساسيات تقنية Perowskit الشمسية
تمثل الخلايا الشمسية Perovskit تطورًا جديدًا نسبيًا في الخلايا الكهروضوئية ، والذي تم بحثه بشكل مكثف منذ عام 2009. إنهم مدينون لأسمائهم بالبيئة المعدنية ، التي لديهم بنية بلورية مميزة. تعتمد هذه الخلايا الشمسية على ما يسمى بالهاليد أو الهالوجيندز ، وهي مادة هجينة مصنوعة من مكونات إيجابية عضوية مثل الكاتيونات الميثيل الأمونيوم والأملاح المعدنية غير العضوية مثل يوديد الرصاص. يختلف تكوين المواد والهيكل الخاص بشكل أساسي عن الخلايا الشمسية السيليكون التقليدية ويجعلها مرشحًا واعداً لمستقبل الطاقة الشمسية.
تعتمد وظيفة الخلايا الشمسية Perovskit على قدرتها الممتازة على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية. اكتشف العلماء من مركز أبحاث Jülich أن شركات الشحن المجانية في الخلايا الشمسية Perovskit من المفترض أن تكون محمية من التفكك من خلال قياسات التلألؤ الضوئية الجديدة ، والتي قد تكون سببًا أساسيًا لكفاءتها العالية. يعد عمر حاملات الحمل المتحمس في المادة عاملاً حاسماً لكفاءة هذه الخلايا الشمسية ، لأنها تحدد المدة التي يمكن الحفاظ على الإلكترونات التي يتم إطلاقها بواسطة الضوء ويمكن أن تسهم في توليد الكهرباء.
في السنوات الأخيرة ، أحرز التطور التكنولوجي لهذه الخلايا الشمسية تقدمًا مثيرًا للإعجاب. في حين أن الخلايا الشمسية Perowskit الأولى لا تزال تتمتع بكفاءة متواضعة قدرها 4 في المائة فقط ، فإن أحدث النماذج تحقق بانتظام كفاءة تزيد عن 20 في المائة. حقق معهد Fraunhofer رقما قياسيا 31.6 في المئة ، في حين حققت الشركة الألمانية QCells كفاءة 28.6 في المئة.
مزايا الخلايا الشمسية بيروفسكي الشفافة
إن الممتلكات الأكثر بروزًا للخلايا الشمسية Perovskit مقارنة بوحدات السيليكون التقليدية هي شفافيةها المحتملة بكفاءة عالية. تفتح هذه الخاصية تطبيقات جديدة تمامًا ، وخاصة في مجال الطاقة الكهروضوئية المتكاملة. يمكن دمج الخلايا الشمسية الشفافة أو شبه الشفافة في مناطق النوافذ ، والتي لا تترك المباني فيها فحسب ، بل يمكنها أيضًا توليد الكهرباء.
يمكن ضبط درجة الشفافية أثناء عملية التصنيع اعتمادًا على الطلب ، حيث تجدر الإشارة إلى أن كفاءة تحويل الطاقة تتناقص مع زيادة الشفافية. أعلى كفاءة التحويل المقاسة في الإصدارات الشفافة هي حاليا 17.9 في المئة. كجزء من المشروع البحثي المثير للإعجاب ، فقد ثبت أن مجموعة من التقنيات يمكنها تحويل الطاقة الشمسية مع كفاءة 14 في المائة مع متوسط درجة المعاملة الخفيفة تزيد عن 55 في المائة. حتى أن الأشعة فوق البنفسجية نصف الشفافة ، حتى تحقيق كفاءة تزيد عن 10 في المائة مع درجة المعاملة الخفيفة حوالي 60 في المائة.
بالإضافة إلى شفافيةها ، تتميز الخلايا الشمسية Perovskit بمزايا ملحوظة أخرى. فهي غير مكلفة نسبيا وسهلة التصنيع ، على غرار الوحدات الشمسية ذات الطبقة الرقيقة. يكون التصنيع أقل كثافة في مجال الطاقة مقارنةً بالسيليكون ، حيث يمكن إنتاج Perowsian باستخدام طرق بسيطة قابلة للتطوير مثل تقنيات طباعة لفة إلى لفة. بالإضافة إلى ذلك ، عادة ما تكون المواد الخام المطلوبة وفيرة ، مما يبقي تكاليف المواد منخفضة.
ميزة حاسمة أخرى هي خفة ومرونة الخلايا الشمسية Perovsky. يمكن تطبيقها على ركائز مختلفة كطبقة رقاقة ، والتي توسع بشكل كبير استخداماتها. تتيح هذه الخاصية تطبيقات مبتكرة في الأجهزة المحمولة أو المركبات أو بناء حلول متكاملة للخلايا الكهروضوئية مثل النوافذ الشمسية أو وحدات الواجهة.
تطبيقات مبتكرة في تكامل البناء
إن إمكانية جعل الخلايا الشمسية Perovskit شفافة تجعلها جذابة بشكل خاص للخلايا الكهروضوئية المتكاملة للبناء (BIPV) ، حيث تحل الخلايا الشمسية محل مواد البناء الكلاسيكية مثل النوافذ. يمكّن تضمين البيروفسكيت بين الأجزاء الزجاجية الخلايا الشمسية من العمل كواجهة وجدار فعلي للمبنى ، وفي الوقت نفسه توليد الكهرباء للاستخدام في الموقع أو التغذية على الشبكة.
قدم مثال ملموس على هذا التطبيق المبتكر Holdings Holdings ، والذي قدم درابزين زجاجي شبه شفاف مع خلايا شمسية Perovsky على شرفة منزل نموذجي جنوب طوكيو. توضح هذه النماذج الأولية القدرة على دمج تقنية Perovskit في عناصر البناء اليومية. قام علماء الفيزياء لايبزيغ أيضًا بتطوير خلية شمسية شفافة يمكن تبخيرها مباشرة إلى جزء من نافذة ، وبالتالي يمكن أن تحول الواجهات بأكملها إلى محطات توليد الطاقة.
التطورات في مجال النوافذ الحرارية أو النوافذ "الذكية" هي المظهر إلى الأمام بشكل خاص. طور العلماء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي امتدادًا وظيفيًا في نافذة نشطة كهروضوئية ، والتي تغير لونها وشفافيتها عندما تتغير درجة الحرارة ويمكن أن تولد الكهرباء في الحالة المظلمة. يعتمد التغيير القابل للعكس إلى نافذة شمسية ملونة على تغيير الطور لطبقات بيروفسكيت الرفيعة.
في الحالة الشفافة ، تتوفر بلورات Perovskit في بنية مكعب وهي شفافة إلى حد كبير ، في حين أن في درجة حرارة حوالي 105 درجة مئوية تمر إلى بنية بلورية أقل شفافية ولكنها كهروضوئية. هذا يمنع حوالي ثلثي الضوء المرئي ويحقق كفاءة سبعة في المئة. تم تبريده حتى درجة حرارة الغرفة ويتعرض لبعض الرطوبة ، ويمكن عكس هذا التغيير في الطور ، وستكون النافذة شفافة مرة أخرى.
مناسب ل:
خصائص الحرارية للمباني المحسنة للمناخ
يمكن أن تقدم خصائص النوافذ المستندة إلى Perovskit مساهمة كبيرة في كفاءة الطاقة في المباني. على غرار النظارات الشمسية ذات الأذواق الذاتية ، يمكن أن تغير هذه النوافذ لونها عندما يتغير درجة الحرارة ، ودرجة الحرارة - على عكس شدة الضوء في حالة النظارات الشمسية - هي العامل الحاسم. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يتحول لون القرص الشفاف إلى اللون الأصفر أو البرتقالي أو الأحمر أو البني. كلما زادت سخونة ، كلما أصبح الزجاج أغمق ، مما يعني أنه يمكن تبريد الغرفة تلقائيًا وبدون استخدام تكييف الهواء.
يمكن أن تساهم هذه الآلية بشكل كبير في تقليل متطلبات الطاقة للتدفئة والتبريد. في ضوء حقيقة أن التدفئة والمياه الساخنة في النمسا مسؤولون عن 25 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، ووفقًا لدراسة أجرتها جامعة برمنغهام ، فإن عدد أجهزة التبريد في جميع أنحاء العالم يجب أن يربط عن 14 مليار مرة بحلول عام 2050 ، فإن هذه الحلول النافذة الذكية يمكن أن تجعل مساهمة مهمة في حماية المناخ.
التحديات والحلول
على الرغم من الخصائص الواعدة ، تواجه الخلايا الشمسية Perovskit بعض التحديات التي تقيد حتى الآن تطبيقها التجاري الواسع. المشكلة الرئيسية هي استقرارها في ظل الظروف البيئية الحقيقية. تميل بلورات Perowskit إلى النمو غير المنظم والمعيب ، مما قد يؤدي إلى مشاكل في الاستقرار. لا تصل بعد إلى طول طول الخلايا الشمسية السيليكون وهي حساسة للرطوبة والضوء والحرارة. هناك عيب كبير في انخفاض مقاومة الطقس ، لأن المادة يمكن أن تتحلل في الظروف الجوية القاسية.
ومع ذلك ، أحرزت الأبحاث بالفعل تقدمًا كبيرًا في التغلب على هذه التحديات. على سبيل المثال ، نجحت Panasonic في إنتاج متغير أكثر استقرارًا كيميائيًا للمادة وحمايتها من الظروف الجوية باستخدام زجاج مزدوج. اختراقًا في الأبحاث حول الوحدات الشمسية Perowskit بالتعاون مع جامعة قبرص . في دراسة مدتها سنتان في الهواء الطلق في قبرص ، تم اكتشاف الاستقرار طويل الأجل للوحدات المصغرة في بيروفسكيت ، والذي بعد عام واحد في الهواء الطلق حقق كفاءة في الطاقة المثيرة للإعجاب بنسبة 78 في المئة-قيمة التي يمكن أن تحافظ عليها وحدات Perovsky الشمسية الحالية فقط لبضعة أسابيع.
كما تم إحراز تقدم في مجال إعادة التدوير. طور الباحثون من السويد طريقة لخلايا شمسية بيروفسكي الصديقة للبيئة. بدلاً من استخدام فورميد ثنائي ميثيل السام عند تفكيك الخلايا ، يستخدم الفريق الماء كمذيب لتقليل البيروفسكايت المتفتت. يمكن بعد ذلك إعادة استخدام جميع الأجزاء في خلية شمسية PerowSkit الجديدة دون إضعاف الأداء-الخلية الشمسية المعاد تدويرها لها نفس كفاءة الأصل.
لا تزال هناك تحديات محددة للنوافذ الشمسية الحرارية. يجب تقليل درجة حرارة تغيير الطور العالية نسبيًا تزيد قليلاً عن 100 درجة مئوية للتطبيقات العملية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر الرطوبة الضرورية للتبديل القابل للانعكاس على استقرار طبقات PerowSkit على المدى الطويل. ومع ذلك ، نظرًا لأن تكوين مواد perovskit يمكن أن يتنوع بشكل كبير ، يمكن العثور على مخاليط المواد في دراسات أخرى دون هذه العيوب وزادت الكفاءة.
إمكانات السوق والآفاق المستقبلية
مزيج من المرونة ومزايا التكلفة والكفاءة المتميزة يجعل الخلايا الشمسية Perowskit أملًا في انتقال الطاقة. يتوقع الباحثون في السوق في Idteechex أن يصل سوق الخلايا الكهروضوئية في Perovskit إلى حجم مبيعات سنوي يبلغ حوالي 12 مليار دولار بحلول عام 2035. في المستقبل ، يمكن أن تحل هذه التكنولوجيا محل الوحدات النمطية القائمة على السيليكون كتقنية مهيمنة للخلايا الكهروضوئية.
يبدو أن مزيجًا من Perovsky مع السيليكون في خلايا ترادفية واعدة بشكل خاص ، مما قد يحقق كفاءة تصل إلى 43 في المائة-تقدم واضح مقارنة بوحدات السيليكون النقي. يمكن تكييف مواد Perovskit خصيصًا لاستخدام أطوال موجية مختلفة من أشعة الشمس بكفاءة: في حين أن Perovskit يتم امتصاصه بشكل أفضل من ضوء الموجة القصيرة (الأزرق) ، والدرجات السيليكون في منطقة الموجة الطويلة (الحمراء).
بالنسبة للخلايا الشمسية الكهروضوئية المتكاملة للبناء ، تفتح الخلايا الشمسية Perovskit شفافة منظورات جديدة تمامًا. من أجل استبدال النوافذ السلبية في أسرع وقت ممكن مع النوافذ المنتجة للكهرباء ، يعمل الباحثون على تحسين أداء التقنيات وتعزيز نضج السوق للخلايا الكهروضوئية الشفافة. إذا كان من الممكن التغلب على التحديات التي لا تزال موجودة فيما يتعلق بالاستقرار والمتانة ، فإن النوافذ الشمسية القائمة على بيروفسكيت يمكن أن تقدم مساهمة كبيرة في توليد الطاقة اللامركزية في المساحات الحضرية في المستقبل القريب.
انتقال الطاقة الحضرية: نوافذ توليد الطاقة مع تقنية Perovskit
الخلايا الشمسية Perowskit ، وخاصة في تنفيذها الشفافة لتطبيقات النوافذ ، تقنية واعدة لمستقبل الخلايا الكهروضوئية. إن إمكانية تحويل المباني والنوافذ إلى مولدات الطاقة دون التأثير على وظيفتها الأساسية يمكن أن تقدم مساهمة حاسمة في انتقال الطاقة في الغرف الحضرية.
التقدم الأخير في تحسين استقرار هذه الخلايا وطول العمر في ظل الظروف البيئية الحقيقية أمر مشجع ويمهد الطريق لتطبيق تجاري أوسع. يبدو أن خصائص ThermoChrome لبعض النوافذ المستندة إلى Perovskit مبتكرة بشكل خاص لا تولد الكهرباء فحسب ، بل يمكنها أيضًا المساهمة في كفاءة الطاقة في المباني عن طريق تكييف شفافيةها.
على الرغم من أنه لا يزال هناك بعض التحديات ، فإن التطور السريع لتكنولوجيا Perovsky في السنوات الأخيرة يشير إلى أن الخلايا الشمسية الشفافة ذات الكفاءة العالية يمكن أن تلعب قريبًا دورًا مهمًا في الهندسة المعمارية وتوريد الطاقة. يمكن تغيير مستقبل البناء بشكل مستدام من خلال هذه التكنولوجيا المبتكرة - مع المباني التي لا تكون نوافذها وواجهاتها جذابة من الناحية الجمالية فحسب ، بل تساهم أيضًا في إمدادات الطاقة.
مناسب ل:
شريكك العالمي في التسويق وتطوير الأعمال
☑️ لغة العمل لدينا هي الإنجليزية أو الألمانية
☑️ جديد: المراسلات بلغتك الوطنية!
كونراد ولفنشتاين
سأكون سعيدًا بخدمتك وفريقي كمستشار شخصي.
يمكنك الاتصال بي عن طريق ملء نموذج الاتصال أو ببساطة اتصل بي على +49 89 89 674 804 (ميونخ) . عنوان بريدي الإلكتروني هو: ولفنشتاين ∂ xpert.digital
إنني أتطلع إلى مشروعنا المشترك.
