ثورة في تكنولوجيا الطاقة الخضراء.. توليد كميات متزايدة من الكهرباء باستخدام ضوء الشمس دون الحاجة إلى ألواح السيليكون

تمكن علماء من قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد من تطوير نهج ثوري يمكنه توليد كميات متزايدة من الكهرباء الشمسية دون الحاجة إلى الألواح الشمسية القائمة على السيليكون. وبدلاً من ذلك، يعمل ابتكارهم عن طريق طلاء مادة جديدة لتوليد الطاقة على أسطح الأشياء اليومية مثل حقائب الظهر والسيارات والهواتف المحمولة.

وللمرة الأولى، أصبحت المادة الجديدة التي تمتص الضوء رقيقة ومرنة بما يكفي لتطبيقها على سطح أي مبنى أو جسم عادي تقريبًا.

وباستخدام تقنية رائدة تم تطويرها في أكسفورد، والتي تجمع طبقات متعددة تمتص الضوء في خلية شمسية واحدة، تمكن الباحثون من تسخير نطاق أوسع من طيف الضوء، مما يسمح بتوليد المزيد من الطاقة من نفس كمية ضوء الشمس.
وقد حصلت هذه المادة فائقة الرقة، التي تستخدم ما يسمى نهج الوصلات المتعددة، على شهادة مستقلة لتقديم كفاءة طاقة تزيد عن 27%، وهي المرة الأولى التي تتطابق فيها مع أداء المواد التقليدية المولدة للطاقة ذات الطبقة الواحدة والمعروفة باسم الخلايا الكهروضوئية السيليكونية. وقد منح المعهد الوطني للعلوم الصناعية المتقدمة والتكنولوجيا في اليابان شهادته قبل نشر الدراسة العلمية للباحثين في وقت لاحق من هذا العام.

تمكين الأجهزة الكهروضوئية من تحقيق كفاءات أكبر

قال الدكتور شوايفينج هو ، زميل ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد: “خلال خمس سنوات فقط من التجارب التي أجريناها باستخدام نهج التراص أو الوصلات المتعددة، تمكنا من رفع كفاءة تحويل الطاقة من حوالي 6% إلى أكثر من 27%، وهو ما يقترب من حدود ما يمكن أن تحققه الخلايا الكهروضوئية أحادية الطبقة اليوم”، “نعتقد أنه بمرور الوقت، يمكن لهذا النهج تمكين الأجهزة الكهروضوئية من تحقيق كفاءات أكبر بكثير، تتجاوز 45%”.

وهذا يقارن بكفاءة استخدام الطاقة التي تحققها الألواح الشمسية اليوم والتي تبلغ نحو 22% (أي أنها تحول نحو 22% من الطاقة في ضوء الشمس)، ولكن تعدد استخدامات المادة الجديدة فائقة الرقة والمرنة يشكل أيضاً أهمية بالغة. فبسمك يزيد قليلاً عن ميكرون واحد، تكون هذه المادة أرق بنحو 150 مرة من رقاقة السيليكون.

وعلى النقيض من الخلايا الكهروضوئية الحالية، والتي تُطبق عموماً على ألواح السيليكون، يمكن تطبيق هذه المادة على أي سطح تقريباً.

“من خلال استخدام مواد جديدة يمكن تطبيقها كطلاء، أثبتنا أنه يمكننا تكرار السليكون والتفوق عليه مع اكتساب المرونة أيضًا. وهذا مهم لأنه يعد بمزيد من الطاقة الشمسية دون الحاجة إلى العديد من الألواح القائمة على السليكون أو المزارع الشمسية المبنية خصيصًا”، كما قال الدكتور جونكي وانج ، زميل ما بعد الدكتوراه في برنامج ماري سكودوفسكا كوري أكشنز في جامعة أكسفورد للفيزياء.

خفض تكلفة الطاقة الشمسية

ويعتقد الباحثون أن نهجهم سيستمر في خفض تكلفة الطاقة الشمسية وجعلها أيضًا الشكل الأكثر استدامة للطاقة المتجددة، فمنذ عام 2010، انخفضت التكلفة العالمية المتوسطة للكهرباء الشمسية بنحو 90٪، مما يجعلها أرخص بنحو الثلث من تلك المولدة من الوقود الأحفوري. وتَعِد الابتكارات بتوفير تكاليف إضافية حيث تعمل المواد الجديدة، مثل البيروفسكايت الرقيق، على تقليل الحاجة إلى الألواح السليكونية ومزارع الطاقة الشمسية المبنية خصيصًا.

وأضاف الدكتور وانج: “يمكننا أن نتصور إمكانية تطبيق طلاءات البيروفسكايت على أنواع أوسع من الأسطح لتوليد الطاقة الشمسية الرخيصة، مثل أسطح السيارات والمباني وحتى ظهور الهواتف المحمولة. وإذا أمكن توليد المزيد من الطاقة الشمسية بهذه الطريقة، فيمكننا أن نتوقع انخفاض الحاجة في الأمد البعيد إلى استخدام الألواح السيليكونية أو بناء المزيد والمزيد من المزارع الشمسية”.

الباحثون هم من بين 40 عالمًا يعملون في مجال الطاقة الكهروضوئية بقيادة أستاذ الطاقة المتجددة هنري سنيث في قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد. بدأ عملهم الرائد في مجال الطاقة الكهروضوئية وخاصة استخدام البيروفسكايت الرقيق منذ حوالي عقد من الزمان ويستفيد من مختبر روبوتي مصمم خصيصًا.

أول خط تصنيع للخلايا الشمسية الترادفية 

ويتمتع عملهم بإمكانات تجارية قوية وقد بدأ بالفعل في التحول إلى تطبيقات في قطاعات المرافق والبناء وتصنيع السيارات.

بدأت شركة Oxford PV، وهي شركة بريطانية انبثقت عن جامعة أكسفورد للفيزياء في عام 2010 على يد المؤسس المشارك والمسؤول العلمي الرئيسي البروفيسور هنري سنيث لتسويق الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت، مؤخرًا في تصنيع الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت على نطاق واسع في مصنعها في براندنبورج آن دير هافيل، بالقرب من برلين، ألمانيا.

وهذا هو أول خط تصنيع بكميات كبيرة في العالم للخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون.

وقال البروفيسور سنيث “لقد نظرنا في البداية إلى المواقع في المملكة المتحدة لبدء التصنيع، لكن الحكومة لم تضاهي بعد الحوافز المالية والتجارية المعروضة في أجزاء أخرى من أوروبا والولايات المتحدة”، “حتى الآن، فكرت المملكة المتحدة في الطاقة الشمسية من حيث بناء مزارع شمسية جديدة، لكن النمو الحقيقي سيأتي من تسويق الابتكارات – ونأمل كثيرًا أن توجه شركة الطاقة البريطانية التي تم إنشاؤها حديثًا انتباهها إلى هذا”.

وأضاف البروفيسور سنيث: “إن توفير هذه المواد سيشكل صناعة جديدة سريعة النمو في الاقتصاد الأخضر العالمي، وقد أظهرنا أن المملكة المتحدة تبتكر وتقود الطريق علميًا، ومع ذلك، بدون حوافز جديدة ومسار أفضل لتحويل هذا الابتكار إلى تصنيع، ستفقد المملكة المتحدة الفرصة لقيادة هذه الصناعة العالمية الجديدة”.