خلايا البيروفسكايت الشمسية: طاقة جديدة لتوليد الكهرباء المنزلية؟

1. السحر الفريد لخلايا البيروفسكايت

الخلايا الشمسية البيروفسكايت هي بطاريات تستخدم بلورات من نوع البيروفسكايت كمادة طبقة ممتصة للضوء، ويستند مبدأ عملها على التأثير الكهروضوئي. عندما يسطع ضوء الشمس على مواد البيروفسكايت، فإنه يثير تكوين أزواج ثقوب-إلكترونات، والتي تنتقل إلى الكاثود والأنود على التوالي، لتشكل تياراً كهربائياً.

تتمتع خلايا البيروفسكايت الشمسية بالعديد من المزايا الفريدة. أولاً، تتمتع بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية؛ فالرقم القياسي الحالي لكفاءة خلايا البيروفسكايت أحادية الوصلة هو 26.1%، وقد سجلته جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية في يوليو 2023. فيما يتعلق بالخلايا الترادفية، في نوفمبر 2023، تم اعتماد كفاءة الخلايا الترادفية أحادية البلورية من السيليكون والبيروفسكايت المطورة بشكل مستقل من قبل شركة لونجي للطاقة الخضراء في نوفمبر 2023، لتصل إلى 33.9%، وهو أعلى رقم قياسي لكفاءة الخلايا الترادفية أحادية البلورية من السيليكون والبيروفسكايت على مستوى العالم حتى الآن. وثانيًا، إنها منخفضة التكلفة وسهلة التحضير؛ فمعظم خلايا البيروفسكايت تستخدم عمليات المذيبات، حيث تكون المواد الخام في الغالب في شكل سائل، مما يسمح بالتحضير في درجة حرارة الغرفة. وفي المستقبل، يمكن استخدام تقنية الطباعة لتحضير خلايا شمسية مرنة ذات مساحة كبيرة وللأجهزة الذكية القابلة للارتداء. وبالإضافة إلى ذلك، تتمتع مواد البيروفسكايت بتأثير ضوئي ضعيف عالٍ، وتعمل في بيئات الإضاءة الضعيفة مثل الطقس الملبد بالغيوم والفجر والغسق.

تمر صناعة خلايا البيروفسكايت حاليًا بمرحلة مهمة من الانتقال من المختبر إلى التصنيع. في عام 2023، تبلغ السعة الجديدة لخلايا البيروفسكايت في الصين حوالي 0.5 جيجاوات، وذلك بشكل رئيسي من الإكمال والإنتاج الناجح لمشروع مكونات البيروفسكايت الضوئية من رن تشاو فوتو إنرجي بقدرة 150 ميجاوات من مشروع مكونات البيروفسكايت الضوئية وهبوط خط إنتاج واندو فوتو إنرجي التجريبي للخلايا الشمسية المتوسطة القابلة للطباعة بقدرة 200 ميجاوات وغيرها من إنتاج المشاريع الأخرى. وقد وصلت خلايا البيروفسكايت إلى نقطة رئيسية في التسويق التجاري، حيث بلغ معدل تغلغلها حوالي 0.2% في مجموعة البيروفسكايت في الصين في عام 2023. ومع التحسينات التكنولوجية المستمرة، من المتوقع أن ينمو معدل انتشار خلايا البيروفسكايت في الصين في المستقبل.

إن آفاق تطبيق خلايا البيروفسكايت واسعة النطاق، مع قدرة تنافسية في سوق الخلايا الكهروضوئية الموزعة، ويمكن استخدامها على نطاق واسع في مجالات مثل الواجهات الكهروضوئية ذات الفتحة الضوئية والأسطح الكهروضوئية. وفي الوقت نفسه، فإن فجوة النطاق القابلة للضبط لخلايا البيروفسكايت الشمسية تجعلها فجوة نطاق عريضة مثالية للخلايا الكهروضوئية الداخلية، والتي يمكن توسيع نطاقها لتشمل الضوء الضعيف والخلايا الكهروضوئية الداخلية، والتي يمكن تطبيقها في مجالات مثل إنترنت الأشياء الصناعية والمنازل الذكية والسفر الذكي. وقد وضعت الشركات ذات الصلة بالفعل أبحاثًا في هذا المجال التطبيقي. وباعتماد من المركز الوطني لقياس واختبار الصناعة الكهروضوئية، وصلت كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الكهروضوئية الداخلية من البيروفسكايت التي طورتها شركة قوانغدونغ ماي لوو لتكنولوجيا الطاقة المحدودة إلى 44.72% تحت إضاءة مصدر ضوء 1000 لوكس يو 30.

1. إمكانيات جديدة لتوليد الكهرباء المنزلية

(1) ناتج طاقة مثير للإعجاب

أظهرت دراسة حالة تطبيق الخلايا الشمسية البيروفسكايتية على منزل لأسرة واحدة بالقرب من بوزنان، بولندا، نتائج مذهلة في إنتاج الطاقة. وتبلغ مساحة المنزل 92.8 مترًا مربعًا، وحُسب أن ناتج الطاقة السنوي الذي يوفره السقف الشرقي الغربي وحده هو 12,377.95 كيلوواط ساعة، وهو ما يتجاوز متوسط الاستهلاك السنوي للكهرباء لأسرة مكونة من أربعة أفراد. إذا أخذنا في الاعتبار جميع المساحات الممكنة التي يمكن تغطيتها بمكونات البيروفسكايت الشمسية، مثل الجدران (26,816.48 كيلوواط ساعة) والنوافذ (2,064.15 كيلوواط ساعة)، فإن إجمالي الطاقة السنوية الناتجة يبلغ 41,258.58 كيلوواط ساعة. وهذا يعني أن خلايا البيروفسكايت الشمسية لا يمكنها تلبية احتياجات منزل واحد من الطاقة فحسب، بل يمكنها أيضًا تلبية احتياجات ثلاث عائلات أخرى من الكهرباء.

(2) مساعدات الابتكارات التكنولوجية

يستمر ظهور تكنولوجيات جديدة لتصنيع البيروفسكايت، مما يضع الأساس لإنتاج البيروفسكايت على نطاق واسع وتعميمه في المنازل. على سبيل المثال، ابتكر فريق بحثي صيني عملية تحضير المواد الضوئية البيروفسكايتية باستخدام سائل أيوني متعدد الوظائف كمذيب ليحل محل المذيبات العضوية السامة التقليدية، مع مزايا الاستقرار العالي وعملية التحضير البسيطة. بالإضافة إلى ذلك، قامت شركة Phenomenal Photovoltaics بابتكار تركيبة محاليل سلائف البيروفسكايت من منظور تبسيط بنية الخلية، وتحقيق كفاءات تحويل ضوئية بنسبة 25.9% و21% على المساحات الصغيرة للغاية والوحدات ذات المساحة الكبيرة على التوالي، مما أدى إلى تحسين عملية تحضير الخلايا الضوئية البيروفسكايتية إلى حد كبير. وفي الوقت نفسه، هناك أيضًا دراسات تعزز أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية باستخدام مضادات المذيبات والكافيين، إلخ. يمكن لمضادات المذيبات تحسين جودة تبلور أغشية البيروفسكايت، مما يعزز استقرار الخلايا وكفاءتها. كما يمكن استخدام الكافيين كمادة مضافة لتنظيم نمو بلورات البيروفسكايت وتحسين كفاءة التحويل الضوئي.

(3) أنظمة توليد الطاقة المتغيرة في المناطق الحضرية

جلبت تقنية الخلايا الشمسية شبه الشفافة التي يمكن دمجها في النوافذ تأثيرًا كبيرًا محتملًا على المباني والتخطيط الحضري وتوليد الطاقة. فقد ابتكر علماء أستراليون جيلًا جديدًا من الخلايا الشمسية البيروفسكايتية التي يمكنها توليد الكهرباء مع السماح بمرور الضوء. تتمتع هذه الخلية شبه الشفافة بكفاءة تحويل تصل إلى 17%، ولكنها لا تزال قادرة على نقل أكثر من 10% من الضوء الساقط. وتعادل الكهرباء التي تولدها نافذة شمسية مساحتها مترين مربعين الكهرباء التي تولدها نافذة شمسية بمساحة مترين مربعين ما يعادل طاقة الألواح الشمسية القياسية على سطح المبنى. ستحول هذه التقنية النوافذ إلى مولدات طاقة نشطة وقد تحدث تغييرات ثورية في التصميم المعماري. وقد يضطر المخططون والمصممون إلى إعادة النظر في كيفية ترتيب المباني في الموقع لتحسين طريقة امتصاص الجدران لأشعة الشمس.

(4) احتمالات تكامل المباني

من المتوقع أن تحقق الخلايا الشمسية البيروفسكايت تكامل المباني، مع العديد من المزايا. وتتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية بخصائص الكفاءة العالية والشفافية القابلة للتعديل، مما يوفر المزيد من الإمكانيات للتصميم المعماري. كما أن تنوع ألوانها يجعل مظهر المباني أكثر تنوعًا. وفي الوقت نفسه، تتميز خلايا البيروفسكايت بخفة وزنها ومرونتها، مما يسهل تركيبها على الأسطح المنحنية للمباني، مما يوفر أفكارًا جديدة للتصميم الجمالي المعماري. ومع ذلك، فإن استقرار خلايا البيروفسكايت الشمسية على المدى الطويل هو مفتاح التطبيق التجاري ويتطلب المزيد من الإنجازات التكنولوجية. في الوقت الحالي، لتحسين استقرار الخلايا الشمسية البيروفسكايت، بالإضافة إلى استبدال مكونات المواد أو التعديل الكيميائي لتحسين مقاومتها للرطوبة بطبيعتها، فإن أكثر الطرق شيوعًا هي استخدام حماية التغليف والأقطاب الكارهة للماء لمنع تآكل الجهاز بسبب الرطوبة. وبالإضافة إلى ذلك، أصبح إيجاد طريقة فعالة لقمع هجرة الأيونات أمرًا أساسيًا لحل مشاكل استقرار مواد وأجهزة البيروفسكايت. ومن المعتقد أنه مع النضج التكنولوجي والاعتراف بالسوق، فإن آفاق تطبيق الخلايا الشمسية البيروفسكايت في مجال تكامل المباني واسعة.

ثالثاً. التوقعات المستقبلية

(1) إمكانات هائلة

تتمتع خلايا البيروفسكايت الشمسية بإمكانيات هائلة في تعزيز تعميم أنظمة توليد الطاقة الشمسية المنزلية. أولاً، تعني كفاءة التحويل الكهروضوئية العالية للخلايا الشمسية أنه يمكن توليد كمية كبيرة من الكهرباء في مساحة صغيرة نسبيًا، مما يلبي احتياجات الكهرباء للمنازل. على سبيل المثال، وصلت كفاءة التحويل أحادية الوصلة لخلايا البيروفسكايت الشمسية إلى مستوى عالٍ بالفعل، ومع التقدم التكنولوجي المستمر، من المتوقع أن تتحسن الكفاءة أكثر في المستقبل. ثانيًا، تسمح قابلية ضبط مواد البيروفسكايت بتخصيص الخلايا الشمسية وفقًا للاحتياجات المعمارية المختلفة، سواء من حيث اللون أو الشفافية أو الشكل، ويمكن دمجها بشكل مثالي مع التصميم المعماري. بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية تحضير خلايا البيروفسكايت الشمسية بسيطة نسبيًا، وتكلفتها منخفضة، مما يوفر إمكانية إنتاجها وتطبيقها على نطاق واسع. ووفقًا للإحصاءات، تبلغ تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية البيروفسكايت حوالي نصف تكلفة الخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون، ومع النضج التكنولوجي وتوسيع نطاق الإنتاج الضخم، من المتوقع أن تنخفض التكلفة أكثر.

(2) لا تزال التحديات قائمة

ومع ذلك، تواجه خلايا البيروفسكايت الشمسية أيضًا بعض التحديات في تعميم أنظمة توليد الطاقة الشمسية المنزلية. أولاً، تظل مشكلات الاستقرار عاملاً رئيسيًا يحد من تطورها. فمواد البيروفسكايت حساسة للغاية لبيئات الماء والحرارة والأكسجين، مما قد يؤدي بسهولة إلى عدم الاستقرار الهيكلي، وبالتالي يقلل من أداء الخلايا وعمرها. في الوقت الحاضر، على الرغم من وجود بعض الطرق التي يمكن أن تحسن من استقرار الخلايا الشمسية البيروفسكايت، مثل الحماية من التغليف، والأقطاب الكارهة للماء، والتعديل الكيميائي، إلا أن هذه الطرق لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسين والتطوير. ثانيًا، جذب انتباه الناس أيضًا الرصاص والعناصر السامة الأخرى في الخلايا الشمسية البيروفسكايت. على الرغم من دراسة مواد البيروفسكايت الخالية من الرصاص، إلا أن أداءها واستقرارها لا يزالان بحاجة إلى التحسين. بالإضافة إلى ذلك، يعد توحيد ومواصفات الخلايا الشمسية البيروفسكايت مسألة مهمة أيضًا. نظرًا لأن الخلايا الشمسية البيروفسكايت هي تقنية جديدة، لا توجد حاليًا معايير ومواصفات موحدة، مما يجلب بعض الصعوبات في مراقبة جودة المنتج والترويج في السوق.

(3) التوقعات المستقبلية

وعلى الرغم من بعض التحديات، لا تزال آفاق الخلايا الشمسية البيروفسكايت في تعزيز تعميم أنظمة توليد الطاقة الشمسية المنزلية واسعة النطاق. ومع التقدم التكنولوجي المستمر، يُعتقد أنه سيتم حل مشكلات الاستقرار ومشكلات العناصر السامة بشكل فعال. وفي الوقت نفسه، ستوفر صياغة التوحيد القياسي والمواصفات أيضًا حماية قوية لتعزيز سوق الخلايا الشمسية البيروفسكايت. في المستقبل، من المتوقع أن تصبح خلايا البيروفسكايت الشمسية الخيار السائد لأنظمة توليد الطاقة الشمسية المنزلية وأن تقدم مساهمة مهمة في تحقيق تنمية الطاقة المستدامة. يمكننا أن نتطلع إلى