في خطوة علمية متقدمة للعرب في مجال العلوم والتقنية، سجلت جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، إنجازاً عظيماً في تاريخها العلمي.
حيث عمل فريق بحثي على الجمع بين عمل خلايا البيروفسكايت وخلايا السيليكون من خلال تطوير خلية شمسية ترادفية.
وتتمتع الخلية الشمسية بكفاءة عالية في تحويل الجهد الكهربائي تبلغ 33.2%، وهي النسبة الأعلى حتى الآن.
فكيف تم ذلك؟ وما هي الخلايا الشمسية الترادفية؟
ما هي الخلايا الشمسية الترادفية؟
الخلايا الشمسية الترادفية، هي عبارة عن مزيج من نوعين من الخلايا الشمسية الموجودة اليوم.
يؤدي هذا الجمع بينهما إلى التقاط المزيد من ضوء الشمس، وبالتالي زيادة كفاءة الخلية الشمسية الواحدة لما يزيد عن 30%.
يتم فيها تكديس خليتين شمسيتين، واحدة فوق الأخرى، بحيث تكون الخلية العلوية شبه شفافة، ما يحول فوتونات الضوء عالية الطاقة إلى كهرباء بكفاءة، بينما تقوم الخلية السفلية بتحويل الفوتونات منخفضة الطاقة المتبقية أو المنقولة بطريقة مثالية، وهذا يسمح بتحويل جزء أكبر من الطاقة الضوئية إلى كهرباء.
أنواع الخلايا الشمسية الترادفية
تُقسم الخلايا الشمسية الترادفية إلى 3 أنواع حسب المواد المستخدمة في تصنيعها:
- الخلايا الترادفية العضوية: وهي شبه شفافة وميسورة التكلفة، كفاءتها في تحويل الطاقة صغيرة أو متوسطة، وتتراوح من 10 – 15%، وتُصنع من البوليمرات.
- الخلايا الترادفية غير العضوية: هي خلايا مصنوعة من أشباه الموصلات III-V، تصل كفائتها من 44.4 حتى 46%، وتستخدم في التطبيقات الفضائية، مثل الأقمار الصناعية، لكن سعرها مرتفع للغاية.
- الخلايا الترادفية الهجينة: في هذا النوع تترادف خلايا البيروفسكايت مع نوع آخر، وقد أثبتت فعاليتها العالية، مع انخفاض تكلفة إنتاجها. النوع الأكثر شيوعاً من الخلايا الترادفية الهجينة هو خلايا البيروفسكايت والسيليكون، يتم ترسيب خلية البيروفسكايت الشمسية مباشرة على خلية السيليكون الشمسية.
نظراً لأن أشباه موصلات البيروفسكايت تحول نطاق طاقة أعلى من السيليكون، يمكن لخلية البيروفسكايت الشمسية أن تستخدم فوتونات عالية الطاقة على نحو أفضل من خلية السيليكون الشمسية.
في المقابل، يمكن لخلية السيليكون الشمسية أن تستخدم بكفاءة الفوتونات منخفضة الطاقة، والتي تنتقل عبر خلية البيروفسكايت الشمسية.
مشكلات تواجه تطوير الخلايا الشمسية الترادفية
تقف عدة عوائق أمام تطوير الخلايا الشمسية الترادفية، إذ يجب:
- توافق المواد بين الخلايا الشمسية العلوية والسفلية، على أن تكون الخلية العلوية شفافة للسماح بمرور الضوء الذي سيتم امتصاصه بواسطة الخلية السفلية.
- إيجاد حلول تكنولوجية للتصنيع، إذ لا توجد طريقة مناسبة تسمح بالإنتاج دون تدمير الهيكل الذي تم إنشاؤه مسبقاً.
- ضمان عدم توقف إحدى الخلايا عن العمل بعد مضي مدة زمنية معينة، واستمرار عمل الخلية الأخرى.
الخلايا الشمسية الترادفية الأعلى كفاءة حتى الآن
طور باحثون من مختبر الطاقة الكهروضوئية في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) خلية شمسية ترادفية من البيروفسكايت والسيليكون، تتمتع بكفاءة تحويل للطاقة تبلغ 33.2%، مقارنة بنسبة 20 – 22% لخلايا السيليكون المنتشرة حالياً.
تعد هذه النسبة أعلى نسبة كفاءة مسجلة للخلايا الترادفية في العالم حتى الآن، متجاوزة سجل معهد هلمهولتز برلين للمواد والطاقة الذي استطاع تحقيق نسبة كفاءة بلغت 32.5%.
يعمل الفريق على تحسين مفهوم الخلية الترادفية المصنوعة من مادة البيروفسكايت والسيليكون منذ عام 2016.
وقد طور خلية ذات طبقة علوية من البيروفسكايت مرصوفة فوق خلايا سفلية من السيليكون.
تمتص طبقة البيروفسكايت الضوء الأزرق بشكل أفضل، بينما تمتص طبقة الأساس السيليكونية الضوء الأحمر بشكل أفضل.
ويؤدي الجمع بين هاتين المادتين إلى زيادة امتصاص ضوء الشمس وتحويله إلى جهد كهربائي بشكل أكثر كفاءة من الخلايا الترادفية مع نظائر خلايا السيليكون التقليدية.
قاد فريق الباحثين البروفيسور ستيفان دي وولف، أستاذ هندسة وعلوم المواد والمدير المشارك المكلف لمركز أبحاث الطاقة الشمسية في الجامعة، لتطوير مواد وطرق وهياكل وأجهزة جديدة، ومعالجة التحديات الأساسية، مثل كيفية تغطية السطح الهرمي لخلايا السيليكون بحجم ميكرومتر بشكل موحد بمادة البيروفسكايت.
وقال: «يؤكد هذا الرقم القياسي الجديد في كفاءة الخلايا الشمسية على الإمكانات الواعدة والهائلة للخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من مادة البيروفسكايت والسيليكون، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق أهداف الطاقة المتجددة بسرعة ودعم جهود مكافحة تغير المناخ».
ويعد استكشاف طريقة لإنتاج خلايا ترادفية من البيروفسكايت والسيليكون عالية الاستقرار على نطاق صناعي، من أبرز أهداف الفريق المستمر في أبحاثه.
