زيادة قابلية تطبيق خلايا الشمسية البيروڤيسكايت في العالم الحقيقي باستخدام الأميديميون

جعل أفضل تقنيات الطاقة الشمسية متينة

معظم الألواح الشمسية تعتمد على تقنيتين: بولي سيليكون، الذي يشكل الغالبية العظمى منها، وأفلام رقيقة من كادميوم تيلورايد. ومع ذلك، هناك طريقة ثالثة لصنع الأنظمة الكهروضوئية، تستخدم معدنًا يُدعى البيروڤيسكايت.

هذا مصنوع من أكسيد الكالسيوم التيتانيوم، وقد حققت هذه التقنية تقدمًا هائلًا في السنوات القليلة الماضية. من نماذج مختبرية ذات كفاءة تحويل الضوء إلى طاقة لا تتجاوز 3.8٪ في عام 2009، وصلإلى 33.9٪ في عام 2024 لتصميم LONGi Green Energy Technology.

ومع ذلك، تواجه الألواح الشمسية البيروڤيسكايت مشكلة رئيسية: المتانة. معظم خلايا البيروڤيسكايت الشمسية تدوم فقط بضع سنوات. وهذا يمنع استخدامها في أي بيئة تجارية، حيث يقتل ربحية هذه الأنظمة، حتى مع كفاءة أعلى وتكاليف إنتاج أقل.

لذلك، طالما أنهم لا يستطيعون مقارنة متانة بولي سيليكون التي تمتد لعقود (2-3 عقود)، فإن البيروڤيسكايت سيقع حتماً في تطبيقات متخصصة ونماذج مختبرية، سيفوتونه على معظم “العصر الشمسي الجديد” الذي يقترب بالفعل منا.

لهذا السبب فإن الإعلان عن طريقة لتحسين استقرار البيروڤيسكايت ثلاث مرات يُعد أمرًا كبيرًا. تم ذلك بواسطة باحثين من جامعة نورثويسترن (الولايات المتحدة)، جامعة غريفيث (أستراليا)، وجامعة تورونتو (كندا)، الذين نشروا نتائجهم في مجلة Science المرموقة تحت عنوان “تحاميل الروابط لتثبيت كيميائي وتأثير المجال يثبت خلايا البيروڤيسكايت الشمسية¹”.

مزايا البيروڤيسكايت

المزايا الرئيسية للبيروڤيسكايت هي تكلفتها المنخفضة وإمكانية “طباعة” الخلايا الشمسية. أحد العوامل الكبيرة لتقليل التكلفة هو أنه يمكن إنتاجه في درجة حرارة الغرفة، مقارنةً بالسيليكون الذي يتطلب مئات الدرجات.

خلايا البيروڤيسكايت مرنة أيضًا، مما يفتح تطبيقات جديدة مثل أسطح السيارات والطائرات بدون طيار. كما أنها تمتص جزءًا أكبر من ضوء الشمس، مما يؤدي إلى كفاءة نظرية أعلى تصل إلى 40٪.

التيتانيوم أيضًا معدن وفير نسبيًا، لذا فهو بديل أفضل للسيليكون مقارنةً بكادميوم تيلورايد. ومع ذلك، فإن تسرب المعادن الثقيلة المحتمل، وخاصة الرصاص، يمثل قلقًا يجب معالجته.

المصدر: Research Gate

يجب أيضًا الإشارة إلى أن خلايا السليكون-بيروڤيسكايت المتتالية، مثل تلك التي طورتها LONGi، تُعد خيارًا بدلاً من الأنظمة البيروڤيسكايت فقط.

حماية البيروڤيسكايت من التحلل

عادةً ما تستخدم خلايا البيروڤيسكايت الشمسية طبقة طلاء تعتمد على الأمونيوم لتعزيز الكفاءة. وعلى الرغم من فعاليتها، تتدهور طبقات الأمونيوم تحت الضغوط البيئية، بما في ذلك الحرارة والرطوبة. ذلك لأن جزيء الأمونيوم يميل إلى التحلل تحت الحرارة الشديدة والماء.

المصدر: Frontiers

هذا بالطبع بعيد كل البعد عن المثالية لاستخدام الألواح الشمسية في الحياة الواقعية، حيث سيتعين عليها التعامل مع الأمطار وأيام الصيف الحارة.

هنا وجد باحثو هذه الدراسة حلاً، باستخدام نوع آخر من المركبات القائمة على النيتروجين: الأميديميون. الأميديميون هو الأيون المتشكل من الأميدينات.

المصدر: Wikipedia

هذا انحراف عن الأبحاث السابقة على البيروڤيسكايت، التي ركزت على تحسين استقرار البيروڤيسكايت نفسه. بدلاً من ذلك، يحاول هذا تحسين طبقات الحماية.

تحسين جذري

لم يقتصر هذا النهج الجديد على تحسين مقاومة الطلاء فوق خلايا البيروڤيسكايت فحسب، بل عزز أيضًا المتانة العامة للوح الشمسي.

“كان الطلاء الجديد أكثر مقاومة للتحلل بمقدار 10 أضعاف مقارنةً بالطلاءات التقليدية القائمة على الأمونيوم. والأفضل من ذلك: خلايا الطلاء بالأميديميون ثلاثت أيضًا عمر الخلية T₉₀ — الوقت الذي تستغرقه كفاءة الخلية للانخفاض إلى 90٪ من قيمتها الأولية عند تعرضها لظروف قاسية.”
Bin Chen –  أستاذ مشارك في البحوث الكيميائية في جامعة نورثويسترن

البناء على الابتكار السابق

هذه ليست بأبعدها الاختراق الأول لهذا الفريق البحثي.

فريق أحد المؤلفين المشاركين الآخر، تيد سارجنت، طور في عام 2022 خلية شمسية بيروڤيسكايت حطمت الأرقام القياسية في كفاءة الطاقة والجهد.

في عام 2023، قدم فريقه خلية شمسية بيروڤيسكايت ذات بنية مقلوبة، مما حسّن أيضًا كفاءتها الطاقية. كما دمجوا البلورات السائلة لتقليل العيوب في أفلام البيروڤيسكايت، مما أدى إلى تحسين أداء الجهاز.

يجب أيضًا الإشارة إلى أن هذه الدراسة لم تُجرَ فقط من قبل الأكاديميين، بل حظيت بدعم كل من الشركة الخاصة First Solar (FSLR )، والمؤسسات العامة مثل وزارة التجارة، والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، ووزارة الطاقة الأمريكية.

الاستثمار في الطاقة الشمسية

إنتاج الطاقة الشمسية ينمو باستمرار بمعدل مزدوج الرقم وسيكون محركًا رئيسيًا لتقليل انبعاثات الكربون في الاقتصاد. لا يزال أمامه طريق طويل، حيث أن الغالبية العظمى من إنتاجنا العالمي للكهرباء، وحتى أكثر من إجمالي الطاقة، يأتي من الوقود الأحفوري.

على مر السنين، أصبح هذا القطاع يتطور ليكافئ أكبر الشركات، حيث تُعد اقتصاديات الحجم عاملاً رئيسيًا في تحقيق الأرباح في بيئة تنافسية للغاية. وبالطبع، تُعد التقنيات الجديدة مُعطِّلًا محتملًا لمصنعي ألواح بولي سيليكون الراسخين.

يمكنك الاستثمار في شركات الطاقة الشمسية عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات شمسية محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة في البورصة مثل Global X Solar ETF (RAYS)، Invesco Solar ETF (TAN)، أو Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) التي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من صناعة الطاقة الشمسية والطاقة النظيفة.

يمكنك أيضًا قراءة مقالتنا حول “أفضل 10 أسهم للطاقة الشمسية للاستثمار فيها”.

شركة طاقة شمسية

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 الكلاسيكية بل تعتمد على تقنيتها الخاصة للأفلام الرقيقة في الخلايا الضوئية. تعتمد على كادميوم-تيلورايد، فهي أكثر كفاءة، تُنتج بتكلفة أقل، ويمكن تصنيعها بسهولة على نطاق واسع. كما أن الألواح الشمسية ذات الأفلام الرقيقة أكثر متانة، حيث تحتفظ بـ 89٪ من الأداء الأصلي بعد 30 عامًا.

المصدر: First Solar

الكادميوم والتيلورايد هما منتجات فرعية من استخراج معادن أخرى، مما يعني أن منتجات First Solar لها تأثير ضئيل، حيث تستخدم موارد كانت قليلة الفائدة من قبل. كما أن ألواح الأفلام الرقيقة يمكن أن تتمتع بمعدل إعادة تدوير مرتفع.

الميزة التقنية لشركة First Solar، إلى جانب موقعها الجغرافي، تجعلها المستفيد المحتمل من الدفع المتزايد للدول الغربية لتوريد ألواحها من خارج الصين.

تعمل الشركة على زيادة طاقة إنتاجها بسرعة، بهدف الوصول إلى قدرة اسمية تبلغ 25 جيجاواط بحلول عام 2026، مقارنةً بـ 11 جيجاواط الحالية.

نظرًا لمشاركته في البحث المذكور هنا، فإن الشركة تبدو مهتمة بوضوح بالبيروڤيسكايت، على الأقل بمجرد أن تصبح هذه الألواح متينة بما فيه الكفاية. وقد علقت بشكل ملحوظ في عرض المستثمرين أن البيروڤيسكايت يجب أن يمتلك “خط تطوير جاهز لإنتاج عينات تقنية تحاكي ظروف التصنيع في الربع الرابع من عام 2024”.

أنفقت First Solar ما مجموعه 2 مليار دولار في البحث والتطوير منذ تأسيسها.

بشكل عام، First Solar هي رائدة تقنية ستستفيد من التعريفات الجمركية على الواردات الصينية، وهو ما قد يعوض الأثر السلبي على صناعة الطاقة الشمسية نتيجة إعادة انتخاب ترامب.

بينما تركزت حتى الآن بشكل أساسي على الألواح الشمسية ذات الأفلام الرقيقة باستخدام كادميوم تيلورايد، فإن خبرتها في تصنيع الألواح الشمسية غير السيليكونية قد تمنحها بداية قوية مع البيروڤيسكايت، خاصةً بالنظر إلى روابطها العميقة مع بعض من أبرز الباحثين في هذا المجال.

مرجع الدراسة:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}