الاستدامة
الذكاء الاصطناعي يطور الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من خلال تمكين استقرار البيروفسكايت
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
من السيليكون إلى الأغشية الرقيقة
في مقالتنا “عصر الشمس – مستقبل مشرق للبشرية”، شرحنا كيف أن صعود الطاقة الشمسية يفتح ثورة في إمداداتنا للطاقة، على الأقل على المدى الطويل.
حتى الآن، تُصنع حوالي 90٪ من الألواح الشمسية باستخدام تقنية تعتمد على السيليكون، حيث يهيمن التصميم متعدد السيليكون الذي حل محل التصاميم الأحادية القديمة (السيليكون أحادي البلورة أكثر متانة، لكنه أقل كفاءة من حيث التكلفة).
المصدر: EIA
بديل آخر هو البيروفسكايت، والذي يُطلق عليه غالبًا خلايا شمسية ذات أغشية رقيقة، حيث يلتقط طاقة الشمس بفضل البنية البلورية الفريدة للبيروفسكايت. (شكل آخر من تكنولوجيا الأغشية الرقيقة يستخدم خلايا رقيقة من كادميوم تلوريد.)
مصطلح الأغشية الرقيقة يأتي من الطبقة الرقيقة جدًا من المادة المطلوبة لتوليد الكهرباء، مما ينتج خلايا شمسية أكثر مرونة وخفة.
البيروفسكايت الطبيعي يتكون من أكسيد الكالسيوم والتيتانيوم (CaTiO3)، لكن معادن أخرى يمكن أن تمتلك نفس البنية البلورية وفق صيغة كيميائية تتبع قاعدة “ABX3”.
على الرغم من كفاءتها العالية في تحويل الطاقة، إلا أن البيروفسكايت أقل متانة من الخلايا الشمسية السيليكونية، مما أعاق استخدامها العملي واعتمادها التجاري.
استخدم الباحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا (السويد) وجامعة برمنغهام التعلم الآلي لتوضيح الجزء المفقود من المعرفة النظرية حول بنية بلورات البيروفسكايت، مما يفتح الطريق لجعلها أكثر متانة، وربما الجيل التالي من تكنولوجيا الفوتوفولطية التجارية.
نشروا نتائجهم في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، تحت عنوان “كشف المرحلة منخفضة الحرارة لـ FAPbI3 باستخدام نموذج تعلم آلي”.
استقرار بيروفسكايت الفورماميديوم
عمل الباحثون على مادة تُدعى يوديد الرصاص الفورماميديوم (FAPbI3). تُعتبر هذه المادة واحدة من أفضل المواد أداءً في مجموعة البيروفسكايت الهاليدية بفضل خصائصها الواعدة لتقنيات الخلايا الشمسية المستقبلية.
مع ذلك، المادة عادةً غير مستقرة بما يكفي تحت ضوء الشمس للتطبيق التجاري، وجزء من السبب هو أن المرحلة منخفضة الحرارة من يوديد الرصاص الفورماميديوم لا تزال غير مفهومة جيدًا، حتى الآن.
“المرحلة منخفضة الحرارة لهذه المادة كانت لفترة طويلة قطعة مفقودة من أحجية البحث، وقد حللنا الآن سؤالًا أساسيًا حول بنية هذه المرحلة.”
Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology
نمذجة الذكاء الاصطناعي المتقدمة
لم تكن الملاحظات التجريبية كافية حتى الآن لفهم بنية بلورة FAPbI3. تتطلب محاكاة الحواسيب التقليدية، التي تحاول حساب ومحاكاة سلوك الذرات واحدةً تلو الأخرى، حواسيب فائقة قوية وأوقات محاكاة طويلة.
بدلاً من ذلك، استخدم الباحثون خبرتهم في التعلم الآلي لتحسين كفاءة محاكاة الحاسوب بشكل كبير.
“من خلال دمج طرقنا القياسية مع التعلم الآلي، أصبح بإمكاننا الآن تشغيل محاكاة أطول بآلاف المرات مقارنةً بالسابق.
وبنماذجنا يمكنها الآن احتواء ملايين الذرات بدلاً من مئات، مما يجعلها أقرب إلى الواقع.”
Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology
تحولات مرحلة البلورة في FAPbI3
اعتمادًا على درجة الحرارة، يمكن أن يتخذ FAPbI3 هياكل بلورية مختلفة: مكعب عند 300 K (27 °C / 80 °F)، رباعي السطح تحت 285 K (12 °C / 53 °F) ولا يزال غير معروف عند 140 K (-133 °C / -207 °F).
اكتشفوا أن محاكاتهم توقعت أن المادة يمكن وضعها في حالة شبه مستقرة عند تبريدها.
ثم اختبروها في الواقع عند -200 °C / -328 °F، لتأكيد أن المحاكاة تتنبأ بدقة بسلوك بلورات البيروفسكايت، خاصةً في هذه الحالة التي لم تُثبت بعد.
عمل النموذج بشكل جيد مع توقع شبه كامل لحركة ذرات الكربون، وتوقع كافٍ لذرات النيتروجين.
تطبيقات أبحاث البيروفسكايت المدعومة بالذكاء الاصطناعي
هذا النموذج هو الأول الذي يتنبأ بدقة جيدة بجميع البنى البلورية لهذه المادة البيروفسكايتية. كما أنه يتطلب موارد حوسبة أقل بكثير، مما يجعله قابلاً للاستخدام من قبل أي فريق بحثي تقريبًا في العالم. لذا قد يسرّع تقدم هذه التقنية بشكل كبير.
البنية البلورية واستقرارها هما الأساس لجعل البيروفسكايت أكثر متانة، وهما أيضًا مفتاح لجعلها قابلة للتسويق التجاري.
“نأمل أن تسهم الأفكار التي حصلنا عليها من المحاكاة في كيفية نمذجة وتحليل مواد البيروفسكايت الهاليدية المعقدة في المستقبل،”
Erik Fransson – Chalmers University Of Technology
الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، كونها أكثر مرونة، يمكن نشرها في العديد من السياقات مقارنةً بالألواح الشمسية التقليدية. كما أنها أخف وزنًا بكثير.
لذا إذا كان من الممكن استخدام البيروفسكايت تجاريًا، يمكننا البدء في استعماله على أسطح المباني، السيارات، الأسطح، الهواتف المحمولة، إلخ، موفرًا طاقة وفيرة دون الحاجة لتخصيص أراضي لمزارع شمسية ضخمة.
يبدو أن الأميديميون هو الاتجاه الصحيح لهذه التقنية، مع تقارير أخرى تشير إلى أن طلاءً واقيًا من الأميديميون يمكن أن يزيد بشكل جذري من عمر خلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. كما يمكن لجسيمات الألومينا النانوية أن تعزز عمر خلايا البيروفسكايت الشمسية بمقدار 10 أضعاف.
على الأرجح، سيظهر مزيج من عدة تقنيات لإنشاء خلية شمسية بيروفسكايت ذات أغشية رقيقة فائقة المتانة.
اسحب للتمرير →
| التقنية | المادة | إمكانات الكفاءة | المتانة | الجاهزية التجارية |
|---|---|---|---|---|
| Silicon (mono/poly) | سيليكون بلوري | 22–26% | عالية جدًا (25–30 سنة) | تجاري بالكامل |
| Cadmium Telluride | CdTe فيلم رقيق | 23–25% | عالية (30 سنة، 89% احتفاظ) | تجاري (First Solar (FSLR )) |
| Perovskite (FAPbI3, amidinium) | بيروفسكايت هاليد | >30% (تجربة مختبرية مزدوجة) | منخفض حاليًا (يتدهور تحت ضوء الشمس) | ما قبل التجاري، مرحلة البحث |
الاستثمار في الابتكار الشمسي
FSLR مخطط السعر
First Solar هي أكبر شركة تصنيع ألواح شمسية في الولايات المتحدة وفي نصف الكرة الغربي بأكمله، وتملك مواقع تصنيع في الولايات المتحدة وماليزيا وفيتنام.
الشركة لا تستخدم تقنية السيليكون البلوري التقليدية، بل تعتمد على خلاياها الضوئية ذات الأغشية الرقيقة المملوكة لها.
استنادًا إلى كادميوم تلوريد، تكون أكثر كفاءة، تُصنع بتكلفة أقل، ويمكن تصنيعها بسهولة على نطاق واسع.
المصدر: Department Of Energy
ألواح كادميوم تلوريد ذات الأغشية الرقيقة أكثر متانة أيضًا، حيث تحتفظ بـ 89٪ من الأداء الأصلي بعد 30 سنة.
المصدر: First Solar
كادميوم وتلوريد هما منتجات فرعية لتعدين معادن أخرى، مما يعني أن منتجات First Solar لها تأثير ضئيل، حيث تستخدم موارد لم تكن ذات فائدة سابقة. كما يمكن للألواح الرقيقة أن تتمتع بمعدل إعادة تدوير مرتفع.
تركيز الشركة على تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة يتيح لها أن تكون مدمجة رأسياً بالكامل، مما يجعلها مختلفة جذريًا عن صناعة الألواح الشمسية القائمة على السيليكون.
بدلاً من وجود عدة مصانع، حيث يتخصص كل طرف في جزء مثل تنقية متعدد السيليكون، ومع استغراق عدة أيام لإنتاج خلية شمسية، يمكن لـ First Solar الانتقال من المواد الخام إلى المنتج النهائي في أقل من 4 ساعات.
المصدر: First Solar
الميزة التكنولوجية لـ First Solar، إلى جانب موقعها الجغرافي، تجعلها المستفيد المحتمل من الدفع المتزايد للبلدان الغربية للحصول على ألواحها من خارج الصين.
تعمل الشركة على زيادة طاقة إنتاجها بسرعة، مستهدفة الوصول إلى قدرة اسمية تبلغ 25 جيجاواط بحلول 2026، مقارنةً بـ 11 جيجاواط حاليًا.
أنفقت First Solar ما مجموعه 2 مليار دولار في البحث والتطوير منذ تأسيسها. تتوقع فرق البحث والتطوير في First Solar كفاءة خلايا CdTe رقيقة تبلغ 25٪ ومسارات للوصول إلى كفاءة 28٪ بحلول عام 2030.
نظرًا لمشاركتها في البحث المذكور هنا، فإن الشركة واضحة الاهتمام بالبيروفسكايت، على الأقل عندما تصبح هذه الألواح متينة بما يكفي.
على المدى الطويل، تتطلع First Solar إلى دمج خبرتها في أغشية كادميوم تلوريد الرقيقة مع تقنية البيروفسكايت، مما يجعل الألواح الشمسية الناتجة أكثر كفاءة.
المصدر: First Solar
بشكل عام، First Solar هي رائدة تكنولوجية ستستفيد من التعريفات الجمركية على الواردات الصينية، وهو ما قد يعوض الأثر السلبي لإعادة انتخاب ترامب على صناعة الطاقة الشمسية.
في حين أنها تركز حاليًا على الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة باستخدام كادميوم تلوريد، فإن خبرتها في تصنيع الألواح الشمسية غير السيليكونية قد تمنحها ميزة بداية كبيرة في مجال البيروفسكايت، خاصةً بالنظر إلى علاقاتها العميقة مع بعض أبرز الباحثين في هذا المجال.
(يمكنك أيضًا قراءة المزيد من المعلومات حول First Solar في تقرير الاستثمار المخصص للشركة)
آخر أخبار وتطورات سهم First Solar (FSLR)
الدراسة المشار إليها
1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. كشف المرحلة منخفضة الحرارة لـ FAPbI3 باستخدام نموذج تعلم آلي. Journal of the American Chemical Society. 14 أغسطس 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265
