خلايا شمسية رقيقة للورق تحول أي سطح إلى مصدر طاقة.. تزيد الطاقة بحوالي 18 مرة لكل كيلوجرام من الخلايا التقليدية

الأقمشة الحل الأمثل لأنها توفر مرونة ميكانيكية ومرونة مع القليل من الوزن الإضافي

طور مهندسون خلايا شمسية من نسيج خفيف الوزن يمكنها بسرعة وسهولة تحويل أي سطح إلى مصدر طاقة.

هذه الخلايا الشمسية المتينة والمرنة، والتي تكون أرق بكثير من شعر الإنسان، يتم لصقها بنسيج قوي وخفيف الوزن، مما يجعلها سهلة التركيب على سطح ثابت، يمكنهم توفير الطاقة أثناء التنقل كنسيج طاقة يمكن ارتداؤه أو نقلها ونشرها بسرعة في مواقع بعيدة للمساعدة في حالات الطوارئ.

هذه الخلايا، جزء من مائة من وزن الألواح الشمسية التقليدية، وتولد طاقة أكبر بمقدار 18 مرة لكل كيلوجرام، وهي مصنوعة من أحبار شبه موصلة باستخدام عمليات الطباعة التي يمكن توسيع نطاقها في المستقبل لتصنيع مساحات كبيرة.

نظرًا لكونها رقيقة جدًا وخفيفة الوزن، يمكن تصفيح هذه الخلايا الشمسية على العديد من الأسطح المختلفة، على سبيل المثال، يمكن دمجها في أشرعة قارب لتوفير الطاقة أثناء وجودها في البحر، أو لصقها بالخيام والأقمشة التي يتم نشرها في عمليات التعافي من الكوارث، أو وضعها على أجنحة الطائرات بدون طيار لتوسيع نطاق طيرانها، يمكن دمج هذه التقنية الشمسية خفيفة الوزن بسهولة في البيئات المبنية مع الحد الأدنى من احتياجات التثبيت.

يقول فلاديمير بولوفيتش، ورئيس شركة Organic and مختبر الإلكترونيات ذات البنية النانوية، وكبير مؤلفي ورقة بحثية جديدة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن المقاييس المستخدمة لتقييم تقنية الخلايا الشمسية الجديدة تقتصر عادةً على كفاءة تحويل الطاقة وتكلفتها بالدولار لكل واط، لا تقل أهمية عن قابلية التكامل- سهولة التكيف مع التكنولوجيا الجديدة، مضيفا، أن الأقمشة الشمسية خفيفة الوزن تمكن من التكامل وتوفير قوة دافعة للعمل الحالي، موضحا، أن الفريق يسعى جاهدا لتسريع اعتماد الطاقة الشمسية، بالنظر إلى الحاجة الملحة الحالية لنشر مصادر طاقة جديدة خالية من الكربون.

نُشر البحث اليوم في مجلة Small Methods ، حيث انضم إلى بولوفيتش في الورقة المؤلفان الرئيسيان مايوران سارافانابافانانثام، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجيرميا مورا ، عالم أبحاث في مختبر أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للإلكترونيات.

أنحف أسفل الطاقة الشمسية

خلايا السيليكون الشمسية التقليدية هشة، لذا يجب تغليفها بالزجاج وتعبئتها في إطار ثقيل من الألومنيوم السميك ، مما يحد من مكان وكيفية نشرها.

قبل ست سنوات، أنتج فريق ONE Lab خلايا شمسية باستخدام فئة ناشئة من مواد رقيقة وخفيفة الوزن بحيث يمكن وضعها فوق فقاعة صابون، ولكن تم تصنيع هذه الخلايا الشمسية فائقة النحافة باستخدام عمليات معقدة تعتمد على الفراغ، والتي قد تكون باهظة الثمن وصعبة التوسع.

في هذا العمل، شرعوا في تطوير الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة التي يمكن طباعتها بالكامل، باستخدام مواد تعتمد على الحبر وتقنيات تصنيع قابلة للتطوير.

لإنتاج الخلايا الشمسية، يستخدمون مواد نانوية في شكل أحبار إلكترونية قابلة للطباعة، يعملون في غرفة MIT.nano النظيفة، حيث يقومون بتغطية هيكل الخلايا الشمسية باستخدام طبقة طلاء ذات فتحة، والتي ترسب طبقات من المواد الإلكترونية على طبقة أساسية معدة وقابلة للإفراج بسمك 3 ميكرون فقط، باستخدام طباعة الشاشة (تقنية مشابهة لكيفية إضافة التصميمات إلى القمصان ذات الشاشة الحريرية)، يتم ترسيب قطب كهربائي على الهيكل لإكمال الوحدة الشمسية.

يمكن للباحثين بعد ذلك تقشير الوحدة المطبوعة، التي يبلغ سمكها حوالي 15 ميكرون، من الركيزة البلاستيكية ، لتشكيل جهاز شمسي خفيف الوزن.

الأقمشة على أنها الحل الأمثل

لكن مثل هذه الوحدات الشمسية الرفيعة القائمة بذاتها، تشكل تحديًا في التعامل معها ويمكن أن تتمزق بسهولة، مما يجعل نشرها صعبًا.

لحل هذا التحدي، بحث فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، عن ركيزة خفيفة الوزن ومرنة وعالية القوة يمكنهم لصق الخلايا الشمسية بها، حددوا الأقمشة على أنها الحل الأمثل، لأنها توفر مرونة ميكانيكية ومرونة مع القليل من الوزن الإضافي.

وجدوا مادة مثالية- نسيج مركب يزن 13 جرامًا فقط لكل متر مربع، والمعروف تجاريًا باسم داينيما، يتكون هذا النسيج من ألياف قوية جدًا، حيث تم استخدامها كحبال لرفع السفينة السياحية الغارقة كوستا كونكورديا من قاع البحر الأبيض المتوسط، عن طريق إضافة طبقة من الغراء القابل للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، والتي لا يتجاوز سمكها بضعة ميكرونات، فإنهم يلتصقون الوحدات الشمسية بألواح هذا القماش، وهذا يشكل هيكلًا شمسيًا فائق الخفة وقويًا ميكانيكيًا.

يشرح سارافانابافانانثام: على الرغم من أنه قد يبدو من الأسهل مجرد طباعة الخلايا الشمسية مباشرة على القماش ، فإن هذا سيحد من اختيار الأقمشة الممكنة أو الأسطح المستقبلة الأخرى لتلك التي تتوافق كيميائيًا وحراريًا مع جميع خطوات المعالجة اللازمة لصنع الأجهزة، النهج يفصل تصنيع الخلايا الشمسية عن التكامل النهائي”.

تفوق الخلايا الشمسية التقليدية

عندما اختبروا الجهاز، وجد باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أنه يمكن أن يولد 730 واطًا من الطاقة لكل كيلوجرام عندما يكون قائما بذاته، وحوالي 370 واط لكل كيلوجرام إذا تم نشره على قماش عالي القوة، والذي يزيد من الطاقة بحوالي 18 مرة لكل كيلوجرام، من الخلايا الشمسية التقليدية.

يقول مورا: “إن التركيب الشمسي النموذجي على الأسطح في ولاية ماساتشوستس يبلغ حوالي 8000 واط. لتوليد نفس الكمية من الطاقة ، فإن الخلايا الكهروضوئية للنسيج لدينا ستضيف فقط حوالي 20 كيلوغرامًا (44 رطلاً) إلى سطح المنزل”.

تعديل المادة العضوية في صنع الخلايا

قاموا أيضًا باختبار متانة أجهزتهم ووجدوا أنه حتى بعد لف لوح شمسي من القماش وفكه أكثر من 500 مرة، لا تزال الخلايا تحتفظ بأكثر من 90 % من قدراتها الأولية لتوليد الطاقة.

في حين أن خلاياها الشمسية أخف بكثير وأكثر مرونة بكثير من الخلايا التقليدية، فإنها تحتاج إلى تغليفها بمادة أخرى لحمايتها من البيئة، يمكن تعديل المادة العضوية القائمة على الكربون المستخدمة في صنع الخلايا من خلال التفاعل مع الرطوبة والأكسجين في الهواء، مما قد يؤدي إلى تدهور أدائها.

ويضيف، “تغليف هذه الخلايا الشمسية بزجاج ثقيل، كما هو معتاد مع الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، سيقلل من قيمة التقدم الحالي، لذلك يقوم الفريق حاليًا بتطوير حلول تغليف فائقة الرقة من شأنها فقط زيادة وزن الأجهزة خفيفة الوزن الحالية بشكل جزئي”.

وأشار إلى أنهم يعملون على إزالة أكبر قدر ممكن من المواد غير النشطة للطاقة الشمسية مع الاحتفاظ بعامل الشكل وأداء هذه الهياكل الشمسية خفيفة الوزن ومرنة، على سبيل المثال، يمكن تبسيط عملية التصنيع بشكل أكبر عن طريق طباعة ركائز، تعادل العملية التي يستخدموها لتصنيع الطبقات الأخرى في أجهزتهم، وهذا من شأنه تسريع ترجمة هذه التقنية إلى السوق.