خلايا البيروفسكايت الشمسية: إمكانات الخلايا الكهروضوئية الشفافة في المباني الحديثة ومشاريع الطاقة الكهروضوئية - الصورة: Xpert.Digital
التحول الشفاف للطاقة: توليد الكهرباء من خلال تقنية النوافذ المبتكرة
خلايا البيروفسكايت الشمسية: صانعو المستقبل للنوافذ الذكية
يفتح تطوير خلايا شمسية شفافة وعالية الكفاءة آفاقًا جديدة لدمج الخلايا الكهروضوئية في المباني. برزت خلايا البيروفسكايت الشمسية، على وجه الخصوص، في السنوات الأخيرة كمرشح واعد لهذا التطبيق. فبكفاءتها التي تصل إلى 31.6%، وإمكانية تصميمها بشفافية، وتصنيعها بتكلفة معقولة، يُمكنها إحداث ثورة في استخدام الطاقة الشمسية. وتُظهر الأبحاث الحالية تحسنًا ملحوظًا في استقرار هذه الخلايا، الذي كان يُمثل مشكلة في السابق. وتُعدّ تطبيقات النوافذ الذكية، التي لا تُولّد الكهرباء فحسب، بل تُعدّل شفافيتها لتتلاءم مع الظروف المحيطة، واعدة للغاية.
مناسب ل:
أساسيات تكنولوجيا الطاقة الشمسية البيروفسكايت
تُمثل خلايا البيروفسكايت الشمسية تطورًا حديثًا نسبيًا في مجال الطاقة الكهروضوئية، حيث لم تبدأ الأبحاث المكثفة عليها إلا عام ٢٠٠٩. ويرجع اسمها إلى معدن البيروفسكايت، الذي تتميز ببنيته البلورية المميزة. تعتمد هذه الخلايا الشمسية على ما يُسمى بيروفسكايت الهاليد، وهي مادة هجينة تتكون من مكونات عضوية موجبة الشحنة، مثل كاتيونات ميثيل الأمونيوم، وأملاح معدنية غير عضوية، مثل يوديد الرصاص. يختلف تركيبها وبنيتها الفريدان اختلافًا جوهريًا عن خلايا السيليكون الشمسية التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمستقبل الطاقة الشمسية.
تعتمد وظيفة خلايا البيروفسكايت الشمسية على قدرتها الممتازة على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وقد اكتشف علماء مركز يوليش للأبحاث، من خلال قياسات حديثة للتألق الضوئي، أن حاملات الشحنة الحرة في خلايا البيروفسكايت الشمسية تتمتع على الأرجح بحماية ممتازة ضد التحلل، وهو ما قد يكون سببًا رئيسيًا لكفاءتها العالية. ويُعد عمر حاملات الشحنة المثارة في المادة عاملًا حاسمًا في كفاءة هذه الخلايا الشمسية، إذ يحدد مدة بقاء الإلكترونات المنبعثة من الضوء متاحة، ويمكن أن يُسهم في توليد الطاقة.
في السنوات الأخيرة، شهد التطور التكنولوجي لهذه الخلايا الشمسية تقدمًا ملحوظًا. فبينما كانت كفاءة الخلايا الشمسية البيروفسكايتية الأولى متواضعة، إذ لم تتجاوز 4%، تحقق أحدث الطرز كفاءات تتجاوز 20% بانتظام. حتى أن معهد فراونهوفر حقق قيمة قياسية بلغت 31.6%، بينما وصلت كفاءة شركة كيو سيلز الألمانية إلى 28.6%.
مزايا الخلايا الشمسية الشفافة المصنوعة من البيروفسكايت
الميزة الأبرز لخلايا البيروفسكايت الشمسية مقارنةً بوحدات السيليكون التقليدية هي قدرتها على الشفافية والكفاءة العالية. تفتح هذه الخاصية آفاقًا جديدة تمامًا للتطبيقات، لا سيما في مجال الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني. يمكن دمج الخلايا الشمسية الشفافة أو شبه الشفافة في أسطح النوافذ، مما يسمح للمباني ليس فقط بدخول الضوء، بل أيضًا بتوليد الكهرباء في آنٍ واحد.
يمكن تعديل درجة الشفافية أثناء عملية التصنيع حسب المتطلبات، مع العلم أن كفاءة تحويل الطاقة تنخفض مع زيادة الشفافية. وتبلغ أعلى كفاءة تحويل مُقاسة للنسخ الشفافة حاليًا 17.9%. وقد مشروع البحث "إمبريسيف" (IMPRESSIVE) أن مجموعة من التقنيات قادرة على تحويل الطاقة الشمسية بكفاءة 14% عند متوسط نفاذية ضوء يزيد عن 55%. بل إن خلايا البيروفسكايت شبه الشفافة للأشعة فوق البنفسجية تحقق كفاءة تزيد عن 10% عند نفاذية ضوء تبلغ حوالي 60%.
إلى جانب شفافيتها، تتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية بمزايا أخرى ملحوظة. فهي منخفضة التكلفة نسبيًا وسهلة التصنيع، على غرار وحدات الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. كما أن إنتاجها أقل استهلاكًا للطاقة بكثير مقارنةً بالسيليكون، إذ يمكن إنتاج البيروفسكايت باستخدام عمليات بسيطة وقابلة للتطوير، مثل الطباعة من لفة إلى لفة. علاوة على ذلك، فإن المواد الخام اللازمة متوفرة بسهولة، مما يُبقي تكاليف المواد منخفضة.
من المزايا المهمة الأخرى خفة ومرونة خلايا البيروفسكايت الشمسية. إذ يُمكن تطبيقها كطبقات رقيقة جدًا على ركائز متنوعة، مما يُوسّع نطاق تطبيقاتها بشكل كبير. تُتيح هذه الخاصية تطبيقات مبتكرة في الأجهزة المحمولة، والمركبات، وحلول الطاقة الكهروضوئية المُدمجة في المباني، مثل النوافذ الشمسية أو وحدات الواجهات.
تطبيقات مبتكرة في تكامل المباني
إن القدرة على جعل خلايا البيروفسكايت الشمسية شفافة تجعلها جذابة بشكل خاص لأنظمة الطاقة الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV)، حيث تحل الخلايا الشمسية محل مواد البناء التقليدية كالنوافذ. يتيح دمج البيروفسكايت بين ألواح الزجاج للخلايا الشمسية أن تكون بمثابة واجهة وجدران للمبنى، مع توليد الكهرباء في الوقت نفسه للاستخدام في الموقع أو تغذية الشبكة الكهربائية.
قدمت شركة باناسونيك القابضة مثالاً ملموساً على هذا التطبيق المبتكر، حيث عرضت درابزينات زجاجية شبه شفافة مزودة بخلايا شمسية من البيروفسكايت على شرفة منزل نموذجي جنوب طوكيو. تُظهر هذه النماذج الأولية إمكانية دمج تقنية البيروفسكايت في عناصر البناء اليومية. كما طوّر فيزيائيون في لايبزيغ خلية شمسية شفافة يمكن ترسيبها بالبخار مباشرة على زجاج النافذة، مما قد يُحوّل واجهات كاملة إلى محطات طاقة.
تُعدّ التطورات في مجال النوافذ الحرارية أو "الذكية" واعدة للغاية. فقد طوّر علماء من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، امتدادًا وظيفيًا لنافذة كهروضوئية تُغيّر لونها وشفافيتها مع تغيّر درجة الحرارة، وتُولّد الكهرباء عند تعتيمها. يعتمد هذا التبديل العكسي إلى نافذة شمسية ملونة على تغيير طور طبقات البيروفسكايت فائقة الرقة.
في حالتها الشفافة، توجد بلورات البيروفسكايت في بنية مكعبة، وهي شفافة إلى حد كبير. عند درجة حرارة حوالي 105 درجات مئوية، تتحول إلى بنية بلورية أقل شفافية، ولكنها نشطة كهروضوئيًا. يحجب هذا حوالي ثلثي الضوء المرئي، ويحقق كفاءة تبلغ 7%. عند تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة وتعريضها لبعض الرطوبة، يمكن عكس هذا التغير الطوري، فتعود النافذة شفافة مرة أخرى.
مناسب ل:
الخصائص الحرارية للمباني المُحسّنة مناخيًا
يمكن أن تُسهم الخصائص الحرارية الكرومية للنوافذ المصنوعة من البيروفسكايت إسهامًا كبيرًا في كفاءة الطاقة في المباني. وكما هو الحال مع النظارات الشمسية الضوئية، يمكن لهذه النوافذ تغيير لونها استجابةً لتغيرات درجة الحرارة، حيث تُعدّ درجة الحرارة - على عكس شدة الضوء في النظارات الشمسية - العامل الحاسم. مع ارتفاع درجة الحرارة، يتحول لون الزجاج الشفاف تدريجيًا إلى الأصفر، أو البرتقالي، أو الأحمر، أو البني. وكلما ارتفعت درجة الحرارة، ازداد لون الزجاج قتامة، مما يُبرّد الغرفة تلقائيًا دون الحاجة إلى تكييف الهواء.
يمكن لهذه الآلية أن تُسهم بشكل كبير في خفض استهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد. ونظرًا لأن التدفئة والماء الساخن يُشكلان 25% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في النمسا، وأن دراسة أجرتها جامعة برمنغهام تتوقع تضاعف عدد أجهزة التبريد عالميًا أربع مرات ليصل إلى 14 مليار جهاز بحلول عام 2050، فإن حلول النوافذ الذكية هذه قد تُسهم بشكل كبير في حماية المناخ.
التحديات والحلول
على الرغم من خصائصها الواعدة، تواجه خلايا البيروفسكايت الشمسية تحديات عديدة حدّت حتى الآن من انتشار استخدامها التجاري. ومن أبرز هذه التحديات استقرارها في ظل الظروف البيئية الواقعية. إذ تميل بلورات البيروفسكايت إلى النمو بشكل عشوائي ومعيب، مما قد يؤدي إلى مشاكل في الاستقرار. كما أنها لا تحقق حتى الآن عمرًا طويلاً كعمر خلايا السيليكون الشمسية، وهي حساسة للرطوبة والضوء والحرارة. ومن أبرز عيوبها انخفاض مقاومتها للعوامل الجوية، إذ يمكن أن تتحلل المادة في ظل الظروف الجوية القاسية.
ومع ذلك، فقد أحرزت الأبحاث تقدمًا ملحوظًا في التغلب على هذه التحديات. على سبيل المثال، نجحت شركة باناسونيك في إنتاج نسخة أكثر استقرارًا كيميائيًا من هذه المادة وحمايتها من العوامل الجوية باستخدام الزجاج المزدوج. وحققت مؤسسة الأبحاث البلجيكية "إيميك"، الشريكة في اتحاد أبحاث "إنرجي فيل"، إنجازًا كبيرًا في أبحاث وحدات البيروفسكايت الشمسية . ففي دراسة خارجية استمرت عامين في قبرص، تم إثبات الاستقرار طويل الأمد لوحدات البيروفسكايت الصغيرة، التي حققت كفاءة طاقة مذهلة بلغت 78% بعد عام واحد من الاستخدام في الهواء الطلق - وهي قيمة لا تستطيع وحدات البيروفسكايت الشمسية الحالية الحفاظ عليها غالبًا إلا لبضعة أسابيع.
أُحرز تقدمٌ ملحوظٌ في مجال إعادة التدوير. فقد طوّر باحثون من السويد طريقةً لإعادة تدوير خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكلٍ كاملٍ وصديقٍ للبيئة. فبدلاً من استخدام ثنائي ميثيل فورماميد السام لتفكيك الخلايا، كما كان مُتّبعًا سابقًا، يستخدم الفريق الماء كمذيبٍ لتفكيك البيروفسكايت المتحلل. ويمكن بعد ذلك إعادة استخدام جميع المكونات في خليةٍ شمسيةٍ جديدةٍ من البيروفسكايت دون التأثير على أدائها، حيث تتمتع الخلية الشمسية المُعاد تدويرها بنفس كفاءة الخلية الأصلية.
لا تزال هناك تحديات خاصة تواجه النوافذ الشمسية الحرارية اللونية. يتطلب الأمر خفض درجة حرارة تغير الطور المرتفعة نسبيًا، والتي تزيد قليلاً عن 100 درجة مئوية، بشكل أكبر للتطبيقات العملية. علاوة على ذلك، قد تُضعف الرطوبة اللازمة للتبديل العكسي استقرار طبقات البيروفسكايت على المدى الطويل. ومع ذلك، نظرًا لإمكانية تنوع تركيب مواد البيروفسكايت بشكل كبير، يمكن لإجراء المزيد من الدراسات تحديد خلائط مواد خالية من هذه العيوب، وبالتالي زيادة الكفاءة.
إمكانات السوق والآفاق المستقبلية
بفضل مزيج من المرونة ومزايا التكلفة والكفاءة العالية، تُعدّ خلايا البيروفسكايت الشمسية تقنية واعدة للتحول في مجال الطاقة. ويتوقع باحثو السوق في IDTechEx أن يصل حجم مبيعات سوق البيروفسكايت الكهروضوئية السنوية إلى ما يقارب 12 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2035. وقد تحل هذه التقنية محل الوحدات القائمة على السيليكون كتقنية كهروضوئية سائدة في المستقبل.
يبدو دمج البيروفسكايت مع السيليكون في الخلايا الترادفية واعدًا للغاية، إذ يُحتمل أن يحقق كفاءة تصل إلى 43%، وهو تحسن كبير مقارنةً بوحدات السيليكون النقي. يمكن تصميم مواد البيروفسكايت خصيصًا للاستفادة بكفاءة من أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس: فبينما يمتص البيروفسكايت الضوء قصير الموجة (الأزرق) بشكل أفضل، يتفوق السيليكون في نطاق الأطوال الموجية الطويلة (الأحمر).
تفتح خلايا البيروفسكايت الشمسية الشفافة آفاقًا جديدة كليًا للأنظمة الكهروضوئية المدمجة في المباني. ولاستبدال النوافذ السلبية بنوافذ مُولِّدة للطاقة في أسرع وقت ممكن، يعمل الباحثون على تحسين أداء هذه التقنيات وتسريع جاهزية الخلايا الكهروضوئية الشفافة للتسويق. وإذا أمكن التغلب على التحديات المتبقية المتعلقة بالاستقرار والمتانة، فقد تُسهم النوافذ الشمسية القائمة على البيروفسكايت إسهامًا كبيرًا في توليد الطاقة اللامركزي في المناطق الحضرية في المستقبل القريب.
التحول في الطاقة الحضرية: نوافذ توليد الطاقة باستخدام تقنية البيروفسكايت
خلايا البيروفسكايت الشمسية، وخاصةً نسخها الشفافة المُخصصة لتطبيقات النوافذ ، تقنيةً واعدةً لمستقبل الطاقة الكهروضوئية. بفضل مزيجها من الكفاءة العالية والشفافية وانخفاض تكاليف التصنيع والمرونة، تُقدم هذه الخلايا مزايا كبيرة مقارنةً بخلايا السيليكون الشمسية التقليدية. إن القدرة على تحويل واجهات المباني والنوافذ إلى مولدات طاقة دون المساس بوظيفتها الأساسية يُمكن أن تُسهم إسهامًا بالغ الأهمية في تحوّل الطاقة في المناطق الحضرية.
تُعدّ التطورات الحديثة في تحسين استقرار هذه الخلايا وطول عمرها في ظل الظروف البيئية الواقعية مُشجعة، وتُمهّد الطريق لتطبيقات تجارية أوسع. وتبدو الخصائص الحرارية اللونية لبعض النوافذ المصنوعة من البيروفسكايت مبتكرةً للغاية، إذ لا تقتصر قدرتها على توليد الكهرباء فحسب، بل تُسهم أيضًا في كفاءة استخدام الطاقة في المباني من خلال تعديل شفافيتها.
رغم وجود بعض التحديات، يشير التطور السريع لتقنية البيروفسكايت في السنوات الأخيرة إلى أن الخلايا الشمسية الشفافة وعالية الكفاءة قد تلعب قريبًا دورًا هامًا في الهندسة المعمارية وإمدادات الطاقة. يمكن لهذه التقنية المبتكرة أن تُحدث تحولًا جذريًا في مستقبل البناء، حيث تُنشئ مبانٍ تتميز نوافذها وواجهاتها ليس فقط بجمالها الأخّاذ، بل تُسهم أيضًا بشكل فعّال في إنتاج الطاقة.
مناسب ل:
شريكك العالمي في التسويق وتطوير الأعمال
☑️ لغة العمل لدينا هي الإنجليزية أو الألمانية
☑️ جديد: المراسلات بلغتك الوطنية!
Konrad Wolfenstein
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.
