زيادة قابليّة التطبيق الواقعي للخلايا الشمسية البيروفسكيتية مع أميدينيوم

جعل أفضل تقنية شمسية متينة

تعتمد معظم اللوحات الشمسية على تقنيتين: البوليسيليكون، الذي يشكل غالبيتها، وتركيبات التيلوريوم الكادميوم الرقيقة. ومع ذلك، هناك طريقة ثالثة لصنع أنظمة فتوولتائية، تستخدم معدنًا يسمى البيروفسكايت.

يتكون هذا من أكسيد التيتانيوم والكالسيوم، وقد أحرزت هذه التقنية تقدمًا هائلًا في السنوات القليلة الماضية. من نماذج مختبرية مع كفاءة تحويل ضوء-طاقة تبلغ 3.8٪ فقط في عام 2009، إلى 33.9٪ في عام 2024 لتصميم من قبل LONGi Green Energy Technology.

然而، تتميز الخلايا الشمسية البيروفسكيتية بمشكلة رئيسية: المتانة. تستمر معظم الخلايا الشمسية البيروفسكيتية بضع سنوات فقط. هذا يمنعها من الاستخدام في أي إعداد تجاري، حيث أنه يقتل ربحية هذه الأنظمة، حتى مع كفاءة أعلى وتكلفة إنتاج أقل.

لذلك، ما دامت لا تستطيع أن تتماشى مع متانة 2-3 عقود من البوليسيليكون، فإن البيروفسكايت سوف تكون محكومة للتطبيقات النيشية ونماذج مختبرية، وتفتقد إلى معظم “العصر الشمسي الجديد” الذي يحدث بالفعل.

هذا هو السبب في أن الإعلان عن طريقة لتحسين استقرار البيروفسكايت 3 أضعاف هو أمر كبير. تم الإعلان عنه من قبل باحثين في جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية)، وجامعة جريفيث (أستراليا)، وجامعة تورنتو (كندا)، الذين نشروا نتائجهم في المنشور المتميز Science تحت عنوان “أميدينيشن من الليغاندات للتحفيز الكيميائي وال电ري يعزز الخلايا الشمسية البيروفسكيتية¹.”

ميزات البيروفسكايت

الميزة الرئيسية للبيروفسكايت هي منخفضة التكلفة وإمكانية “طباعة” الخلايا الشمسية. محرك كبير لتكلفة أقل هو أنه يمكن إنتاجه عند درجة حرارة الغرفة، مقارنة بالسيليكون، الذي يتطلب مئات الدرجات.

تتميز الخلايا الشمسية البيروفسكيتية أيضًا بالمرن، مما يفتح تطبيقات جديدة مثل سقف السيارات والطائرات بدون طيار. كما أنها تمتص جزءًا أكبر من ضوء الشمس، مما يؤدي إلى كفاءة نظرية أعلى، تصل إلى 40٪.

التيتانيوم هو أيضًا معدن متوفر نسبيًا، لذلك يعتبر بديلًا أفضل للسيليكون من التيلوريوم الكادميوم. ومع ذلك، فإن تسرب المعادن الثقيلة، و特别 الرصاص، هو قلق يجب معالجته.

مصدر: Research Gate

يجب أيضًا ملاحظة أن الخلايا الشمسية التانديم السيليكون-البيروفسكايت، مثل التي طورتها LONGi، هي خيار بدلاً من الأنظمة البيروفسكيتية فقط.

حماية البيروفسكايت من التدهور

عادة ما تستخدم الخلايا الشمسية البيروفسكيتية طبقة طلاء أمونيومية لتعزيز الكفاءة. بينما هي فعالة، تتدهور الطبقات الأمونيومية تحت الإجهاد البيئي، بما في ذلك الحرارة والرطوبة. هذا لأن جزيئة الأمونيوم تميل إلى التدهور تحت الحرارة الشديدة والماء.

مصدر: Frontiers

هذا بالطبع بعيد عن المثالي للاستخدام الواقعي للوحات الشمسية، التي سوف تحتاج إلى التعامل مع المطر وأيام الصيف الحارة.

هنا وجد الباحثون في هذه الدراسة حلاً، من خلال استخدام نوع آخر من المركبات النيتروجينية: أميدينيوم. أميدينيوم هو الأيون المتكون من الأميدينات.

مصدر: Wikipedia

هذا انحراف عن الأبحاث السابقة حول البيروفسكايت، التي ركزت على تحسين استقرار البيروفسكايت نفسها. بدلاً من ذلك، يحاول هذا تحسين الطبقات الواقية.

تحسين جذري

لم يكن هذا النهج الجديد يحسن فقط مقاومة الطلاء على سطح الخلايا البيروفسكيتية، بل أيضًا زاد من متانة اللوحة الشمسية بشكل عام.

“كانت الطبقة الجديدة 10 مرات أكثر مقاومة للتحلل مقارنة بالطبقات التقليدية الأمونيومية. حتى أفضل من ذلك: الخلايا المطلية بأميدينيوم زادت أيضًا ثلاث مرات من عمر الخلية T₉₀ — الوقت الذي يستغرقه انخفاض كفاءة الخلية بنسبة 90٪ من قيمتها الأولية عند التعرض للظروف القاسية.”

بناءً على الابتكارات السابقة

هذا ليس بالابتكار الأول لفريق البحث هذا.

فريق أحد المؤلفين الآخرين، Ted Sargent، طور في عام 2022 خلية شمسية بيروفسكيتية حطمت الأرقام القياسية لэффективية الطاقة والجهد.

في عام 2023، قدم فريقه خلية شمسية بيروفسكيتية بنية معكوسة، التي تحسنت أيضًا من كفاءة الطاقة. كما دمجوا بلورات سائلة لتقليل العيوب في أفلام البيروفسكايت، مما أدى إلى تحسين أداء الجهاز.

يجب أيضًا ملاحظة أن هذه الدراسة لم تتم فقط من قبل الأكاديميين، ولكن تم دعمها من قبل الشركة الخاصة First Solar، والمؤسسات العامة مثل وزارة التجارة، والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، ووزارة الطاقة الأمريكية.

استثمار في الطاقة الشمسية

تنتج الطاقة الشمسية بشكل مستمر بمعدل نمو مزدوج الرقم، وسوف تكون محركًا رئيسيًا لتحويل الاقتصاد. لا تزال لديها طريق طويل للذهاب، مع أن الغالبية العظمى من إنتاجنا العالمي للكهرباء، وحتى المزيد من الطاقة الإجمالية، يأتي من الوقود الأحفوري.

على مر السنين، أصبح هذا القطاع يتحول لصالح الشركات الكبيرة، مع أن اقتصاديات الحجم هي عامل رئيسي في إدارة تحقيق الربح في بيئة تنافسية للغاية. مع تقنيات جديدة محتملة لتعطيل مصنعي اللوحات الشمسية البوليسيليكونية التقليدية.

يمكنك استثمار أموالك في شركات الطاقة الشمسية من خلال العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، بالإضافة إلى العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات شمسية محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصندوق المتداول في البورصة (ETFs) مثل Global X Solar ETF (RAYS)، Invesco Solar ETF (TAN)، أو Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) الذي سوف يوفر لك تعرضًا متنوعًا للاستفادة من صناعة الطاقة الشمسية والنظيفة.

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

شركة شمسية

First Solar, Inc.

First Solar هي أكبر شركة لتصنيع اللوحات الشمسية في الولايات المتحدة الأمريكية ونصف الكرة الغربي، مع مواقع تصنيع في الولايات المتحدة الأمريكية، ماليزيا، وفيتنام.

تستخدم الشركة تقنية الفيلم الرقيق الفريدة، وليس تقنية السيليكون البلوري التقليدية. تستند إلى التيلوريوم الكادميوم، وهي أكثر كفاءة، تنتج بتكلفة أقل، ويمكن تصنيعها بسهولة.

مصدر: First Solar

التيلوريوم والكادميوم هما ناتجان عن تعدين المعادن الأخرى، مما يعني أن منتجات First Solar لها تأثير ضئيل، باستخدام الموارد التي كانت ذات قيمة قليلة من قبل. يمكن للوحات الفيلم الرقيق أيضًا أن يكون لها معدل تدوير عالٍ.

حافة التكنولوجيا في First Solar، بالإضافة إلى موقعها الجغرافي، يجعلها المحتمل أن تستفيد من الدفع المتزايد لبلدان الغرب لاستيراد لوحاتها من خارج الصين.

تتسارع الشركة من سعتها الإنتاجية بسرعة، وتستهدف الوصول إلى سعة إنتاجية اسمية تبلغ 25 جيجاوات في عام 2026، من السعة الحالية البالغة 11 جيجاوات.

نظرًا لتورطها في البحث المناقش هنا، فإن الشركة明显 مهتمة بالبيروفسكايت، على الأقل في الوقت الذي تصبح فيه هذه اللوحات متينة بدرجة كافية. لقد علق في تقديمها للمستثمرين أن البيروفسكايت يجب أن يكون لها “خط إنتاج جاهز لإنتاج عينات تكنولوجية مشابهة للظروف المماثلة في الربع الرابع من عام 2024“.

قضت First Solar 2 مليار دولار في البحث والتطوير منذ إنشائها.

بشكل عام، First Solar هي زعيم تقني يعتمد على الرسوم الجمركية على الواردات الصينية، شيء محتمل أن يتعويض عن التأثير السلبي على صناعة الطاقة الشمسية من إعادة انتخاب ترامب.

في حين أن التركيز الرئيسي حتى الآن على لوحات الطاقة الشمسية الرقيقة باستخدام التيلوريوم الكادميوم، فإن خبرتها في تصنيع اللوحات الشمسية غير السيليكون قد تمنحها بداية كبيرة مع البيروفسكايت، خاصة بالنظر إلى علاقاتها الوثيقة مع بعض أفضل الباحثين في هذا المجال.

مرجع الدراسة:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). أميدينيشن من الليغاندات للتحفيز الكيميائي وال电ري يعزز الخلايا الشمسية البيروفسكيتية. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}