ما الذي يعيق الاعتماد الجماعي لخلايا البيروفسكايت الشمسية؟

ما المميز في خلايا البيروفسكايت الشمسية

الخلايا الشمسية البيروفسكايت هي فئة حديثة من الأجهزة الكهروضوئية التي جذبت الانتباه على الفور في مجال الطاقة المتجددة. وهي تستمد اسمها من التركيب البلوري الشائع في عدد كبير من المعادن. تمتص هذه الخلايا الجديدة الضوء بقوة وتحوله بفعالية إلى كهرباء بكفاءة عالية في تحويل الطاقة. وقد أثبتت العديد من المجموعات كفاءات تحويل طاقة تنافس، بل وتتفوق على كفاءة خلايا السيليكون الشمسية التقليدية. وتأتي هذه الخلايا الواعدة من التركيب الكيميائي البسيط والتكلفة المنخفضة لموادها.

وقد أثارت هذه الخلايا الشمسية الاهتمام لأنها تقدم نهجاً جديداً. فخصائصها تجعلها مناسبة للاندماج في بيئات مختلفة. وفي المختبر، تمت زراعة خلايا البيروفسكايت الشمسية في المختبر عن طريق معالجة المحاليل في درجات حرارة منخفضة. وقد تسمح التقنية نفسها بالطباعة باللف على ركائز مرنة. وتشبه هذه العملية طباعة الصحف، مما يمهد الطريق لإنتاج فعّال من حيث التكلفة. في كثير من الحالات، يمكن تصنيع هذه الخلايا على البلاستيك بدلاً من الزجاج الصلب. وهذا يفتح العديد من التطبيقات، من الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني إلى الإلكترونيات المحمولة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات حول كيفية إنتاج هذه الأفلام بشكل موثوق على نطاق واسع.

الفوائد الرئيسية لخلايا البيروفسكايت الشمسية

من بين العديد من المزايا الأخرى، تتمتع خلايا البيروفسكايت الشمسية بالعديد من المزايا الفريدة مقارنة بتقنيات الخلايا الشمسية التقليدية.

- كفاءة تحويل الطاقة العالية: تُظهر هذه الخلايا كفاءة تحويل مطابقة للخلايا القائمة على السيليكون. في بعض الاختبارات المعملية، حققت هذه الخلايا كفاءة تحويل طاقة تقترب من 25 في المئة.

- تكلفة تصنيع منخفضة: يمكن استخدام طرق معالجة المحاليل وتقنيات اللف من لفة إلى لفة أثناء عملية الإنتاج. ويمكن تقليل استهلاك الطاقة وهدر المواد باستخدام هذه العملية مقارنةً بتصنيع السيليكون عالي الحرارة.

- تصميم مرن وخفيف الوزن: الطبقات الرقيقة والمرنة تجعلها مناسبة للإدراج في مواد البناء والإلكترونيات المحمولة. ومن الأمثلة على ذلك أن طبقات البيروفسكايت تم اختبارها بالفعل على النوافذ والأسطح المنحنية، مما يشير إلى مدى سهولة تكيفها مع العديد من الظروف الفريدة.

- الامتصاص العالي وخصائص فجوة النطاق القابلة للضبط: يمكن هندسة مادة البيروفسكايت بسهولة لامتصاص نطاق واسع من الطيف الشمسي. وتعزز الأداء في ظروف الإضاءة المختلفة.

أبقت هذه المزايا خلايا البيروفسكايت الشمسية في دائرة اهتمام الباحثين والمستثمرين والصناعات. فهي تقدم هذا النوع من المزايا التي لا يمكن لتقنيات الخلايا الشمسية التقليدية أن تضاهيها في بعض الأحيان. تأثيرها المحتمل كبير بالنظر إلى انخفاض تكاليف الإنتاج وتطبيق الخلايا في سيناريوهات متنوعة.

التحديات الرئيسية في توسيع نطاق خلايا البيروفسكايت الشمسية

على الرغم من المزايا الواعدة، إلا أن توسيع نطاق الخلايا الشمسية البيروفسكايتية للاستخدام على نطاق واسع في السوق يعوقه عدد من التحديات.

- الاستقرار والمتانة: أحد أكثر التحديات التي تمت مناقشتها هو أن الخلايا الشمسية البيروفسكايت تتحلل تحت الضغط البيئي. ويميل وجود الرطوبة ودرجات الحرارة المرتفعة والأشعة فوق البنفسجية إلى تقصير عمرها. تشبه مشكلة التدهور ما يحدث في العديد من المواد الحساسة التي لم تصل إلى مستويات الإنتاج الناضجة.

- سمية الرصاص: تحتوي معظم خلايا البيروفسكايت الشمسية على الرصاص. وهذا يؤدي إلى قلق بيئي ويشكل خطرًا في حالة تسرب الرصاص إلى النظم البيئية. ويترتب على استخدام الرصاص مزيد من الحذر في إنتاج الخلايا وتشغيلها وإعادة تدويرها في نهاية المطاف.

- قابلية التكرار والتوحيد: من الصعب صنع أغشية بيروفسكايت كبيرة المساحة بنفس الجودة. في المختبر، تُظهر الأجهزة الأصغر نتائج واعدة للغاية. ومع ذلك، عندما يحاول الباحثون إعداد أفلام أكبر وموحدة، عادةً ما تكون هناك عيوب وتفاوتات في الأداء.

- تحديات التصنيع: إن دمج خلايا البيروفسكايت الشمسية في خطوط التصنيع الحالية ليست مهمة سهلة. فالإجراءات الجديدة القابلة للتطبيق في المختبر يجب تكييفها للإنتاج الصناعي. ولا يزال الأداء المتسق على نطاقات كبيرة يمثل تحديًا كبيرًا للمصنعين.

وتشير هذه التحديات إلى السبب في أن خلايا البيروفسكايت الشمسية، رغم أنها واعدة، إلا أنها لم تصل بعد إلى الانتشار التجاري الواسع. وتتطلب كل نقطة من هذه النقاط إجراء أبحاث واختبارات جادة قبل أن تغادر التكنولوجيا المختبر.

العوائق التكنولوجية والتجارية

الطريق إلى اعتماد السوق على نطاق واسع محفوف بالتحديات التقنية والسوقية.

- تقدم محدود في الاستقرار التشغيلي على المدى الطويل: في حين أن الأداء قصير الأجل في المختبرات مثير للإعجاب، إلا أن التركيبات في العالم الحقيقي تتطلب أن تعمل الخلايا الشمسية بفعالية لعقود من الزمن. ولا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لضمان الموثوقية على المدى الطويل.

- مشاكل في توسيع نطاق معالجة المحاليل للأجهزة ذات المساحات الكبيرة: إن العمليات التي تعطي كفاءة عالية على المستوى الصغير لا يمكن توسيع نطاقها بسهولة إلى ألواح أكبر بكثير. وتعد هذه الفجوة أحد أكبر العوائق أمام الشركات التي تسعى للاستثمار في الإنتاج على نطاق واسع.

- مقايضة تكلفة الإنتاج على نطاق واسع مقابل الأداء: يجب الموازنة بين الأداء وتكلفة الإنتاج. من الناحية العملية، قد تنطوي التحسينات في الاستقرار والكفاءة على تكاليف أعلى. هذا هو التوازن المهم الذي سيمنح الخلايا ميزة تنافسية ضد التقنيات الراسخة.

- نقص البنية التحتية في التسويق التجاري: لا توجد حتى الآن سلسلة توريد أو منشأة إنتاج مطورة بالكامل مخصصة لهذه الخلايا الشمسية الجديدة. وتؤثر هذه الفجوة على وتيرة دمج الخلايا في أسواق الطاقة الشمسية القائمة. وتنتظر الصناعات والمستثمرون إثباتاً أكثر قوة للنضج التكنولوجي.

وتعكس هذه التحديات السبب الذي يجعل الأوساط الأكاديمية والصناعية على حد سواء تخطو بحذر في عملية تسويق الخلايا الشمسية البيروفسكايت. يجب أن يكون التقدم تدريجياً؛ ويجب إدارة كل تحدٍ بعناية لبناء الثقة في التكنولوجيا.

الحلول المحتملة والتطورات المحتملة

لا توجد إجابة واحدة لمشاكل التوسع التي تواجهها خلايا البيروفسكايت الشمسية. ويسعى الباحثون إلى إدخال تحسينات مختلفة للتغلب على التحديات.

تم تنفيذ تقنيات مختلفة، مثل التغليف والمواد المضافة ، لجعل طبقة البيروفسكايت مقاومة للرطوبة ودرجة الحرارة. على سبيل المثال، تحمي طبقة الحماية الطبقات النشطة من الإجهاد البيئي.

- بدائل غير سامة للبيروفسكايت القائم على الرصاص: يجري العمل على استبدال الرصاص بعناصر أقل سمية. وتستخدم البدائل المرشحة في المراحل الأولى القصدير أو معادن أخرى. وبشكل عام، تحتاج هذه البدائل من الجيل الثاني إلى الحفاظ على كفاءة عالية، مع ضمان انخفاض كبير في المخاطر البيئية.

- التقدم في تقنيات الطباعة وتقنيات التصنيع القابلة للتطوير: يجري حالياً تحسين طرق الطباعة الجديدة وعمليات اللف من لفة إلى لفة. وقد أظهرت عدة خطوط تجريبية أنه من الممكن طباعة أجهزة ذات مساحة كبيرة بأداء متسق.

- البيروفسكايت الهجين والخلايا الشمسية الترادفية: إن استخدام البيروفسكايت بالاقتران مع مواد أخرى بالترادف ينطوي على إمكانية توفير كل من الاستقرار والأداء العالي. وقد أثبتت بعض النماذج الأولية بالفعل إمكانية تحقيق ذلك باستخدام نهج الطبقات للجمع بين ميزات المواد المختلفة.

تتقدم الأبحاث بثبات إلى الأمام، حيث تقرب كل دراسة جديدة خلايا البيروفسكايت الشمسية خطوة أخرى من تلبية مجموعة المعايير التقنية والتجارية. ويتسم العمل بالدراية والحذر، ويوازن بين الابتكار واعتبارات السلامة والتكلفة. لمزيد من المعلومات حول خلايا البيروفسكايت الشمسية، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

و: ما هي الميزة الرئيسية لخلايا البيروفسكايت الشمسية؟

ج: إنها تمتلك ميزة الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة، وبالتالي تجد تطبيقات في مختلف المجالات.

و: ما هو التحدي الأكبر أمام توسيع نطاق إنتاجها؟

يبقى ضمان الاستقرار والتجانس على المدى الطويل في التصنيع على مساحة كبيرة أحد التحديات الحاسمة.

ف: هل هناك طرق لتقليل سمية الرصاص في خلايا البيروفسكايت؟

س: نعم، هناك أبحاث حول البدائل غير السامة وتقنيات التثبيت من أجل التعامل مع المخاطر البيئية.

مرجع:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). مراجعة لجوانب الهندسة المضافة في الخلايا الشمسية البيروفسكايتية. مجلة كيمياء المواد أ. 8. 10.1039/c9ta07657c.