تاريخ النشر: 8 مارس 2025 / تاريخ التحديث: 8 مارس 2025 - المؤلف: Konrad Wolfenstein
الخلايا الشمسية البيروفسكيتية: إمكانات الخلايا الكهروضوئية الشفافة للمباني الحديثة ومشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية – الصورة: Xpert.Digital
انتقال الطاقة الشفاف: توليد الكهرباء من خلال تكنولوجيا النوافذ المبتكرة
الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت: صانعو النوافذ الذكية في المستقبل
يُتيح تطوير الخلايا الشمسية الشفافة عالية الكفاءة آفاقًا جديدة لدمج الطاقة الكهروضوئية في المباني. وقد برزت خلايا البيروفسكايت الشمسية، على وجه الخصوص، في السنوات الأخيرة كخيار واعد لهذا التطبيق. فبكفاءة تصل إلى 31.6%، وإمكانية تصميمها بشكل شفاف، وتصنيعها بتكلفة معقولة، يُمكنها إحداث ثورة في استخدام الطاقة الشمسية. وتُشير الأبحاث الحالية إلى تحسن ملحوظ في استقرار هذه الخلايا، الذي كان يُمثل مشكلة في السابق. وتُعد تطبيقاتها، مثل النوافذ الذكية التي لا تُولد الكهرباء فحسب، بل تُمكنها أيضًا من تعديل شفافيتها وفقًا للظروف المحيطة، واعدة للغاية.
ذو صلة بهذا الموضوع:
أساسيات تكنولوجيا الطاقة الشمسية البيروفسكيتية
تمثل الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت تطورًا حديثًا نسبيًا في مجال الخلايا الكهروضوئية، حيث لم تبدأ الأبحاث المكثفة حولها إلا في عام 2009. وتستمد هذه الخلايا اسمها من معدن البيروفسكايت، الذي تتميز ببنيته البلورية الفريدة. وتعتمد هذه الخلايا الشمسية على ما يُعرف باسم بيروفسكايت الهاليد، وهو مادة هجينة تتكون من مكونات عضوية موجبة الشحنة، مثل كاتيونات ميثيل الأمونيوم، وأملاح معدنية غير عضوية، مثل يوديد الرصاص. ويختلف تركيبها وبنيتها الفريدة اختلافًا جوهريًا عن خلايا السيليكون الشمسية التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمستقبل الطاقة الشمسية.
تعتمد كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت على قدرتها الفائقة على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وقد اكتشف علماء في مركز يوليش للأبحاث، من خلال قياسات مبتكرة للتألق الضوئي، أن حاملات الشحنة الحرة في هذه الخلايا محمية بشكل استثنائي من التحلل، وهو ما قد يكون السبب الرئيسي لكفاءتها العالية. ويُعدّ عمر حاملات الشحنة المثارة في المادة عاملاً حاسماً في كفاءة هذه الخلايا الشمسية، إذ يحدد المدة التي تبقى فيها الإلكترونات المنبعثة من الضوء متاحة وقادرة على المساهمة في توليد الطاقة.
شهدت السنوات الأخيرة تطوراً تكنولوجياً مذهلاً في مجال الخلايا الشمسية. فبينما كانت كفاءة أولى خلايا البيروفسكايت الشمسية متواضعة، لا تتجاوز 4%، تصل كفاءة أحدث الطرازات بانتظام إلى أكثر من 20%. وقد حقق معهد فراونهوفر رقماً قياسياً بلغ 31.6%، بينما وصلت كفاءة شركة كيو سيلز الألمانية إلى 28.6%.
مزايا الخلايا الشمسية الشفافة المصنوعة من البيروفسكايت
تتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية، مقارنةً بوحدات السيليكون التقليدية، بقدرتها الفائقة على تحقيق الشفافية إلى جانب كفاءتها العالية. تفتح هذه الخاصية آفاقًا جديدةً تمامًا للتطبيقات، لا سيما في مجال الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني. إذ يمكن دمج الخلايا الشمسية الشفافة أو شبه الشفافة في أسطح النوافذ، مما يسمح للمباني ليس فقط بدخول الضوء، بل أيضًا بتوليد الكهرباء في الوقت نفسه.
يمكن تعديل درجة الشفافية أثناء عملية التصنيع وفقًا للمتطلبات، مع العلم أن كفاءة تحويل الطاقة تنخفض مع زيادة الشفافية. وقد بلغت أعلى كفاءة تحويل مُقاسة للنسخ الشفافة 17.9%، وهي نسبة ملحوظة. مشروع البحث "إمبرسيف" أن الجمع بين عدة تقنيات يُمكن أن يُحوّل الطاقة الشمسية بكفاءة 14% عند متوسط نفاذية ضوئية تتجاوز 55%. بل إن خلايا البيروفسكايت شبه الشفافة للأشعة فوق البنفسجية تصل كفاءتها إلى أكثر من 10% عند نفاذية ضوئية تقارب 60%.
إلى جانب شفافيتها، توفر الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت مزايا أخرى ملحوظة. فهي رخيصة نسبيًا وسهلة التصنيع، على غرار وحدات الطاقة الشمسية الرقيقة. كما أن إنتاجها أقل استهلاكًا للطاقة بشكل ملحوظ مقارنةً بالسيليكون، إذ يمكن إنتاج البيروفسكايت باستخدام عمليات بسيطة وقابلة للتطوير، مثل الطباعة المتواصلة. علاوة على ذلك، فإن المواد الخام اللازمة متوفرة بسهولة، مما يُبقي تكاليف المواد منخفضة.
ومن المزايا الحاسمة الأخرى لخلايا البيروفسكايت الشمسية خفة وزنها ومرونتها. إذ يمكن تطبيقها كطبقات رقيقة للغاية على ركائز متنوعة، مما يوسع نطاق استخداماتها بشكل كبير. وتتيح هذه الخاصية تطبيقات مبتكرة في الأجهزة المحمولة والمركبات، أو في حلول الطاقة الشمسية المدمجة في المباني، مثل النوافذ الشمسية أو وحدات الواجهات.
تطبيقات مبتكرة في تكامل المباني
إنّ إمكانية جعل خلايا البيروفسكايت الشمسية شفافة تجعلها جذابة بشكل خاص لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني، حيث تحلّ الخلايا الشمسية محلّ مواد البناء التقليدية كالنوافذ. ويتيح دمج البيروفسكايت بين ألواح الزجاج للخلايا الشمسية أن تعمل كواجهة وجدار فعليين للمبنى، مع توليد الكهرباء في الوقت نفسه للاستخدام في الموقع أو لتغذية الشبكة الكهربائية.
قدمت شركة باناسونيك هولدينغز مثالاً عملياً لهذا 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 طور علماء الفيزياء في لايبزيغ خلية شمسية شفافة يمكن ترسيبها بالبخار مباشرة على زجاج النافذة، مما قد يحول واجهات المباني بأكملها إلى محطات طاقة.
تُعدّ التطورات في مجال النوافذ الحرارية اللونية أو "الذكية" واعدةً للغاية. فقد طوّر علماء في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، إضافةً وظيفيةً لنافذة كهروضوئية تُغيّر لونها وشفافيتها بتغيّر درجة الحرارة، وتُمكنها من توليد الكهرباء عند تعتيمها. ويعتمد التحوّل العكسي إلى نافذة شمسية ملونة على تغيير طور طبقات البيروفسكايت فائقة الرقة.
في حالتها الشفافة، تتخذ بلورات البيروفسكايت بنية مكعبة وتكون شفافة إلى حد كبير، بينما عند درجة حرارة تقارب 105 درجات مئوية، تتحول إلى بنية بلورية أقل شفافية، ولكنها نشطة كهروضوئيًا. تحجب هذه البنية حوالي ثلثي الضوء المرئي، وتصل كفاءتها إلى 7%. عند تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة وتعريضها لبعض الرطوبة، يمكن عكس هذا التغير الطوري، وتصبح النافذة شفافة مرة أخرى.
ذو صلة بهذا الموضوع:
خصائص التغير اللوني الحراري للمباني المُحسّنة مناخياً
قد تُسهم الخصائص الحرارية اللونية للنوافذ المصنوعة من البيروفسكايت إسهامًا كبيرًا في رفع كفاءة الطاقة في المباني. وكما هو الحال في النظارات الشمسية الفوتوكرومية، يتغير لون هذه النوافذ استجابةً لتغيرات درجة الحرارة، حيث تُعدّ درجة الحرارة - على عكس شدة الضوء في النظارات الشمسية - العاملَ الحاسم. فمع ارتفاع درجة الحرارة، يتحول لون الزجاج الشفاف تدريجيًا إلى الأصفر أو البرتقالي أو الأحمر أو البني. وكلما زادت الحرارة، ازداد لون الزجاج قتامةً، مما يُساهم في تبريد الغرفة تلقائيًا دون الحاجة إلى تكييف الهواء.
يمكن لهذه الآلية أن تُسهم بشكلٍ كبير في خفض استهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد. ونظرًا لأن التدفئة والمياه الساخنة تُشكّل 25% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في النمسا، ولأن دراسةً أجرتها جامعة برمنغهام تتوقع أن يتضاعف عدد أجهزة التبريد في جميع أنحاء العالم أربع مرات ليصل إلى 14 مليار جهاز بحلول عام 2050، فإن حلول النوافذ الذكية هذه يُمكن أن تُسهم إسهامًا كبيرًا في حماية المناخ.
التحديات والحلول
على الرغم من خصائصها الواعدة، تواجه خلايا البيروفسكايت الشمسية تحديات عديدة حدّت من انتشارها التجاري الواسع. ومن أبرز هذه التحديات استقرارها في ظل الظروف البيئية الواقعية، إذ تميل بلورات البيروفسكايت إلى النمو بشكل غير منتظم ومعيب، مما قد يؤدي إلى مشاكل في الاستقرار. كما أنها لا تزال بعيدة عن عمر خلايا السيليكون الشمسية، وتتأثر بالرطوبة والضوء والحرارة. ومن عيوبها الرئيسية ضعف مقاومتها للعوامل الجوية، حيث يمكن أن تتدهور المادة في ظل الظروف الجوية القاسية.
مع ذلك، أحرزت الأبحاث تقدماً ملحوظاً في التغلب على هذه التحديات. فعلى سبيل المثال، نجحت باناسونيك في إنتاج نسخة أكثر استقراراً كيميائياً من المادة وحمايتها من العوامل الجوية باستخدام الزجاج المزدوج. كما حقق معهد الأبحاث البلجيكي "إيميك"، الشريك في اتحاد "إنرجيفيل" البحثي، إنجازاً بارزاً في أبحاث وحدات الطاقة الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت . ففي دراسة خارجية استمرت عامين في قبرص، تم إثبات استقرار وحدات البيروفسكايت المصغرة على المدى الطويل، حيث حققت كفاءة طاقة مذهلة بلغت 78% بعد عام واحد من التعرض للعوامل الجوية، وهي قيمة لا تستطيع وحدات الطاقة الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت الحالية الحفاظ عليها إلا لبضعة أسابيع في أغلب الأحيان.
كما أُحرز تقدم في مجال إعادة التدوير. فقد طوّر باحثون من السويد طريقة لإعادة تدوير خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل كامل وصديق للبيئة. فبدلاً من استخدام ثنائي ميثيل فورماميد السام لتفكيك الخلايا، كما كان يُفعل سابقاً، يستخدم الفريق الماء كمذيب لتحليل البيروفسكايت المتحلل. وبذلك، يمكن إعادة استخدام جميع المكونات في خلية شمسية جديدة من البيروفسكايت دون التأثير على الأداء، إذ تتمتع الخلية الشمسية المعاد تدويرها بنفس كفاءة الخلية الأصلية.
لا تزال هناك تحديات محددة تواجه النوافذ الشمسية الحرارية اللونية. فدرجة حرارة التحول الطوري المرتفعة نسبيًا، والتي تتجاوز 100 درجة مئوية بقليل، تحتاج إلى مزيد من التخفيض للتطبيقات العملية. علاوة على ذلك، قد تؤثر الرطوبة اللازمة للتحويل العكسي سلبًا على استقرار طبقات البيروفسكايت على المدى الطويل. مع ذلك، ونظرًا لإمكانية تغيير تركيب مواد البيروفسكايت بشكل كبير، يمكن لدراسات لاحقة تحديد مزيجات مواد خالية من هذه العيوب، وبالتالي زيادة الكفاءة.
إمكانات السوق والآفاق المستقبلية
بفضل مرونتها، ومزاياها الاقتصادية، وكفاءتها العالية، تُعدّ خلايا البيروفسكايت الشمسية تقنية واعدة في مجال التحول الطاقي. ويتوقع باحثو السوق في شركة IDTechEx أن يصل حجم مبيعات سوق الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت إلى ما يقارب 12 مليار دولار أمريكي سنويًا بحلول عام 2035. وقد تحلّ هذه التقنية محلّ الوحدات القائمة على السيليكون لتصبح التقنية الكهروضوئية السائدة في المستقبل.
يبدو دمج البيروفسكايت مع السيليكون في الخلايا الترادفية واعدًا للغاية، إذ يُمكن أن تصل كفاءته إلى 43%، وهو تحسن ملحوظ مقارنةً بوحدات السيليكون النقي. ويمكن تصميم مواد البيروفسكايت خصيصًا للاستفادة بكفاءة من أطوال موجات ضوء الشمس المختلفة: فبينما يمتص البيروفسكايت الضوء الأزرق (الأطوال الموجية القصيرة) بشكل أفضل، يتفوق السيليكون في نطاق الضوء الأحمر (الأطوال الموجية الطويلة).
تفتح الخلايا الشمسية الشفافة المصنوعة من البيروفسكايت آفاقًا جديدة تمامًا لأنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المباني. ولتسريع استبدال النوافذ التقليدية بنوافذ مولدة للطاقة، يعمل الباحثون على تحسين أداء هذه التقنيات وتسريع طرح الخلايا الكهروضوئية الشفافة في السوق. وإذا ما تم التغلب على التحديات المتبقية المتعلقة بالاستقرار والمتانة، فقد تُسهم النوافذ الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت إسهامًا كبيرًا في توليد الطاقة اللامركزية في المناطق الحضرية في المستقبل القريب.
التحول الطاقي الحضري: نوافذ مولدة للطاقة بتقنية البيروفسكايت
خلايا البيروفسكايت الشمسية، ولا سيما نسخها الشفافة المُخصصة لتطبيقات النوافذ ، تقنية واعدة لمستقبل الطاقة الكهروضوئية. فبفضل ما تتميز به من كفاءة عالية وشفافية وتكاليف تصنيع منخفضة ومرونة، تُقدم هذه الخلايا مزايا كبيرة مقارنةً بخلايا السيليكون الشمسية التقليدية. إن القدرة على تحويل واجهات المباني والنوافذ إلى مولدات طاقة دون المساس بوظيفتها الأساسية من شأنها أن تُسهم إسهامًا جوهريًا في التحول الطاقي في المناطق الحضرية.
تُعدّ التطورات الحديثة في تحسين استقرار هذه الخلايا وإطالة عمرها في ظل الظروف البيئية الواقعية مُشجّعة، وتمهد الطريق لتطبيقات تجارية أوسع. وتبدو الخصائص الحرارية اللونية لبعض النوافذ المصنوعة من البيروفسكايت مبتكرة بشكل خاص، إذ لا تقتصر وظيفتها على توليد الكهرباء فحسب، بل تُسهم أيضًا في رفع كفاءة الطاقة في المباني من خلال تعديل شفافيتها.
رغم وجود بعض التحديات، يشير التطور السريع لتكنولوجيا البيروفسكايت في السنوات الأخيرة إلى أن الخلايا الشمسية الشفافة عالية الكفاءة قد تلعب قريباً دوراً هاماً في الهندسة المعمارية وإمدادات الطاقة. بإمكان هذه التكنولوجيا المبتكرة أن تُحدث تحولاً جذرياً في مستقبل البناء، فتُتيح إنشاء مبانٍ لا تقتصر نوافذها وواجهاتها على الجمال فحسب، بل تُسهم أيضاً بشكل فعّال في إنتاج الطاقة.
ذو صلة بهذا الموضوع:
شريكك العالمي في التسويق وتطوير الأعمال
☑️ لغة أعمالنا هي الإنجليزية أو الألمانية
☑️ جديد: مراسلات بلغتك الأم!
Konrad Wolfenstein
يسعدني أنا وفريقي أن نكون متاحين لكم بصفتنا مستشاركم الشخصي.
يمكنكم التواصل معي عبر ملء نموذج الاتصال هنا أو الاتصال بي مباشرةً +49 89 89 674 804 ( ميونخ) . عنوان بريدي الإلكتروني هو: [email protected]
أتطلع إلى مشروعنا المشترك.
