خلايا البيروفسكايت الشمسية وبدائلها

ما هي خلايا البيروفسكايت الشمسية

تعتمد خلايا البيروفسكايت الشمسية على فئة فريدة من المواد التي تشترك في اسم التركيب البلوري للمادة. وتمنح صيغتها الكيميائية البيروفسكايت خصائص فريدة لامتصاص الضوء. وبنيتها غير معقدة وتفسح المجال لطرق منخفضة التكلفة لتحويلها إلى خلايا شمسية عاملة. وقد حققت هذه الخلايا في المختبر معدلات تحويل طاقة ملحوظة. ووفقاً للعلماء، تساعد بنية البيروفسكايت على امتصاص مجموعة واسعة من الأطوال الموجية لأشعة الشمس. وهذا بدوره أحد العوامل الرئيسية في التقاط المزيد من الطاقة الشمسية.

وقد حظيت هذه الخلايا بالاهتمام لأنه يمكن تحضيرها بمعالجة المحاليل. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى آلات أصغر وطاقة أقل في الإنتاج. وتتشابه عملية الإنتاج من حيث المفهوم مع تقنيات الطباعة المستخدمة في صناعات أخرى. يمكن إجراء العملية لتعمل بسرعة في بيئة محكومة. تستخدم هذه التقنية مواد غير مكلفة. ومع ذلك، بالمقارنة مع ألواح السيليكون، لا تزال طريقة البيروفسكايت في مرحلة النضج. ولا تزال الأبحاث جارية لحل مشاكل مثل التدهور البيئي والمتانة على المدى الطويل.

وبالمقارنة مع الخيارات التقليدية، تتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية بتكلفة تصنيع أقل بكثير. وحتى في مراحلها الأولى، فإن الكفاءات المحققة قريبة مما لوحظ في خلايا السيليكون الشمسية. وقد أثار ذلك اهتمام العديد من المهندسين والباحثين. وقد أظهرت العديد من دراسات الحالة جدوى استخدام مواد البيروفسكايت جنبًا إلى جنب مع التكنولوجيا الحالية. وقد أثبتت الاختبارات الميدانية الأولية التي أجريت في المناخات المعتدلة أنها واعدة.

مقارنة مع خلايا السيليكون الشمسية

لطالما كانت خلايا السيليكون الشمسية لفترة طويلة العمود الفقري لإنتاج الطاقة الشمسية. ولديها سجل حافل من الأداء الثابت والموثوقية على المدى الطويل. وفيما يلي بعض الاختلافات الرئيسية:

- الكفاءة: تتطابق الخلايا الشمسية البيروفسكايتية، في الظروف المثالية للبيئة المختبرية، مع الخلايا الشمسية السيليكونية أو حتى تتفوق عليها. وقد أبلغ العلماء عن معدلات كفاءة تزيد عن 25% في بعض التجارب. هذه الأرقام مشجعة للمرحلة التالية من التطوير في الخلايا الشمسية.

- تكاليف التصنيع: من حيث التكلفة، فإن الميزة الواضحة هي للخلايا الشمسية البيروفسكايت. وتشير القدرة على طباعة أو طلاء هذه الخلايا باستخدام معدات بسيطة إلى انخفاض نفقات الإعداد والإنتاج. تتميز الألواح القائمة على السيليكون بمتطلبات طاقة عالية ومرافق مكلفة لإنتاجها.

- الاستقرار: ألواح السيليكون موجودة في السوق منذ عقود. وقد تم إثبات أدائها على المدى الطويل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية. وفي المقابل، لا تزال خلايا البيروفسكايت الشمسية حساسة للرطوبة والإضاءة لفترات طويلة. وتقلل الحساسية البيئية الأكبر بكثير من الاستخدامات الحالية لخلايا البيروفسكايت الشمسية في الهواء الطلق. وتجري حاليًا عمليات تغليف وتعديلات كيميائية من قبل العديد من الباحثين كعلاجات لهذه العيوب.

- المواد وقابلية التوسع: تم تحسين صناعة السيليكون على مر السنين مع سلاسل توريد ضخمة. السيليكون متاح ومفهوم على نطاق واسع. ومع ذلك، لا تزال مواد البيروفسكايت في مرحلة الاختبار للإنتاج على نطاق واسع. ومن الضروري تحقيق المزيد من الإنجازات في التحكم في العملية واتساق الجودة وتعزيز المتانة لتوسيع نطاق الإنتاج.

إن الوعد العام بالكفاءة العالية، إلى جانب التكاليف المنخفضة للخلايا الشمسية البيروفسكايت، يجعل هذه التكنولوجيا مثيرة للاهتمام. ومع ذلك، يجب أن يتطابق النشر العملي مع الاستقرار والمتانة المادية لحلول السيليكون. ويتطلع المهندسون إلى اليوم الذي يمكن فيه استخدام خلايا البيروفسكايت في كل أسطح المنازل والمزارع الشمسية بكل ثقة.

مقارنة مع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

البدائل الأخرى هي الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، والتي شهدت بالفعل استخدامات عديدة في تطبيقات مختلفة. والأهم من ذلك أنها سهلة التركيب ولها تطبيقات مرنة. والآن، دعونا نقارن خلايا البيروفسكايت الشمسية بها:

- المواد المستخدمة: عادةً ما تُصنع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من تيلورايد الكادميوم أو سيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم. يجب التعامل مع هذه المواد بطريقة محكومة. وعلى النقيض من ذلك، تستخدم خلايا البيروفسكايت سلائف كيميائية بسيطة للغاية ومتاحة تجاريًا. ويمكن أن تُترجم هذه البساطة إلى تكاليف إنتاج أقل عند إنتاجها بكميات كبيرة.

- الكفاءة: يظهر ذلك عادةً في اختبارات مختلفة تميل فيها الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى إظهار كفاءات أقل مقارنةً بخلايا البيروفسكايت الشمسية. وعلى الرغم من أنها لا تلتقط أشعة الشمس بنفس كفاءة البيروفسكايت، إلا أن أداءها يظل ثابتًا على مدى فترات طويلة. وقد لاحظ المهندسون أن خلايا البيروفسكايت يمكن أن تتفوق أحيانًا على خلايا الأغشية الرقيقة في كفاءة تحويل الطاقة في بعض الأحيان، خاصة في الظروف المختبرية. ويمكن أن يكون هذا مؤشراً على أن البيروفسكايت تحتفظ بميزة إذا تم تخفيف المشاكل المتعلقة بالاستقرار.

- التصنيع: تم تأسيس تقنيات تصنيع خلايا الأغشية الرقيقة. وقد استفادت من سنوات عديدة من التحسين ويمكن تحسينها للإنتاج على نطاق واسع. ولا يزال تصنيع البيروفسكايت قيد التحسين. ولا يزال التوسع إلى المستويات الصناعية مجالاً نشطاً للبحث. وهناك حاجة إلى تحسين العمليات وتحسين تقنيات الإنتاج لجعلها قادرة على المنافسة مع طرق الأغشية الرقيقة القائمة.

وعلى الرغم من أن كفاءة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة أقل ، إلا أن متانتها وأساليب إنتاجها الناضجة تجعلها أكثر جاذبية. ومن ناحية أخرى، تقدم خلية البيروفسكايت رؤية محيرة لمستقبل تتماشى فيه الكفاءة العالية وتكلفة الإنتاج المنخفضة معًا. كما يتجادل المهندسون والباحثون الآن حول التكنولوجيا التي ستكون مناسبة لأي تطبيق. على سبيل المثال، قد تتطلب الأجهزة المرنة تكنولوجيا الأغشية الرقيقة، بينما قد تمنح ألواح البيروفسكايت مزايا لأسطح المنازل الخاصة في المستقبل.

الخلايا الشمسية العضوية: مقارنة

تنتمي الخلايا الشمسية العضوية إلى مجال آخر من المواد الممتصة للضوء. وهي تستخدم البوليمرات العضوية والجزيئات الصغيرة في التقاط أشعة الشمس. وهناك بعض النقاط التي تقارن بينها وبين خلايا البيروفسكايت:

- الكفاءة: خلايا البيروفسكايت، بشكل عام، أكثر كفاءة من الخلايا الشمسية العضوية. تُظهر البيانات المختبرية أن أجهزة البيروفسكايت تتفوق على الخلايا العضوية في تحويل ضوء الشمس بسرعة إلى كهرباء. وحتى عندما يكون التصميم الإبداعي للخلايا العضوية واعدًا، فإن كفاءتها المطلقة مرتبطة بخصائص المواد الجوهرية.

- الاستقرار والعمر: تتمتع الخلايا الشمسية العضوية عمومًا بعمر افتراضي أقصر. حيث تميل موادها إلى التحلل بسرعة أكبر مع العوامل الجوية والتعرض للأشعة فوق البنفسجية. وتعد خلايا البيروفسكايت واعدة أكثر في هذا المجال. فباستخدام طرق تغليف أفضل، يمكن لخلايا البيروفسكايت أن تدوم لفترة أطول من معظم الخلايا العضوية. وقد أظهرت التجارب أن خلايا البيروفسكايت المحمية بشكل جيد يمكن أن تحافظ على أدائها لفترات أطول.

- التكلفة والتصنيع: يمكن معالجة كل من الخلايا الشمسية العضوية وخلايا البيروفسكايت الشمسية بالمحلول. وبصفة عامة، كلتا طريقتا المعالجة أقل استهلاكًا للمعدات مقارنةً بتصنيع خلايا السيليكون. ومع ذلك فإن خلايا البيروفسكايت لها ميزة في هذا الصدد. فهي تُظهر نسبة كفاءة إلى تكلفة أفضل في العديد من حالات الاختبار. وقد لاحظ الباحثون أن الخلايا العضوية غالبًا ما تتطلب إضافات أو طرق طبقات معقدة تزيد من التكاليف دون تحقيق مكاسب مماثلة في الأداء.

وقد أدت مرونة الخلايا الشمسية العضوية إلى تطبيقات عملية للأجهزة المحمولة ومنخفضة الطاقة. وفي المستقبل، يمكن أن تلعب تكنولوجيا البيروفسكايت دورًا أوسع في تطوير الطاقة الشمسية بسبب كفاءتها العالية وإمكانية إنتاجها بتكلفة منخفضة. وقد أشارت العديد من الدراسات التجريبية إلى أن البيروفسكايت يمكن أن تصبح قريباً قادرة على المنافسة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية والخلايا الكهروضوئية المتكاملة في المباني وحتى توليد الطاقة على نطاق واسع إذا تم حل مخاوف الاستقرار.

الخاتمة

توفر خلايا السيليكون الشمسية المتانة والتكنولوجيا المثبتة، وتوفر خلايا الأغشية الرقيقة نضج التصنيع ومرونة التصميم، وتلبي الخلايا العضوية احتياجات الأسواق المتخصصة بأشكالها الخفيفة الوزن، بينما تعد الخلايا الشمسية البيروفسكايت بكفاءة عالية بتكاليف إنتاج منخفضة.

الأسئلة المتداولة

س: ما هي أهم فائدة في استخدام خلايا البيروفسكايت الشمسية؟

س: توفر كفاءة عالية، مع انخفاض تكاليف التصنيع مقارنة بخلايا السيليكون التقليدية.

و: ما هو التحدي الحالي الذي تواجهه خلايا البيروفسكايت؟

ج: إنها عرضة للتدهور البيئي، مما يحد من استخدامها على المدى الطويل في الهواء الطلق.

و: كيف يمكن مقارنة خلايا البيروفسكايت بالخلايا الشمسية العضوية؟

ج: عادةً ما تُظهر كفاءة أعلى واستقرارًا أفضل على المدى الطويل مقارنةً بالخلايا العضوية.