مواد واعدة لإنتاج طاقة المستقبل من الشمس

منذ أن اُستخدم السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية، والباحثون يسعون لابتكار مواد جديدة لإنتاج طاقة المستقبل من ضوء الشمس، بحيث تكون تلك المواد ذات كفاءة عالية في تحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء.

ويُعد شبه الموصل "بيروفسكيت (Perovskite) من المواد التي يتوقع أن تقود قطاع الطاقة المتجددة في المستقبل القريب، ففي عام 2009 بلغت الكفاءة التحويلية لهذا الموصل 11%، وقد قفزت هذه الكفاءة لتبلغ عام 2013 نحو 15%، وهي مرشحة لأن تبلغ قريبا 20%، وهو الحد الأدنى الذي تبلغه الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية.

مواد واعدة
منذ عام 2009 سعى فريق من الباحثين إلى استخدام بعض أشباه الموصلات العضوية الفلزية لإنتاج خلايا شمسية قادرة على تحويل الضوء إلى كهرباء، وهذه المواد تعرف باسم البيروفسكيت، حيث استخدمت في البداية كأحد بدائل الأصباغ في الخلايا الشمسية الحساسة، حيث يعمل الصبغ على امتصاص الضوء، كما استخدم مركب ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) النانوي في عملية التغليف للخلايا.

وعندما يسقط الضوء على الخلايا الشمسية، يمتص الصبغ الضوء، وتتكون الإلكترونات وحاملات الشحنة الموجبة والتي تعرف باسم الفجوات، وهذه ترسل في المواد الناقلة ثم إلى أقطاب كهربائية حيث يتولد جهدا كهربائيا.

وقد بينت التجارب الأولى أن مركبات البيروفسكيت ذات الصيغة الكيميائية (CH₃NH₃)PbX₃ (X يمكن أن يكون اليود أو البروم أو الكلور) قد حققت في البداية كفاءة تحويله للطاقة بلغت 12%، ومع تواصل الأبحاث وتزويد الخلايا الشمسية بمزيد من هذه المركبات الممتصة للضوء في غشاء ثاني أكسيد التيتانيوم، تزايدت العملية التحويلية للطاقة، كما تبين أيضا قدرة شبه الموصلات تلك على نقل كل من الشحنات الموجبة والسالبة، وبالتالي أصبح ممكنا الاستغناء عن ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي.

مستقبل البيروفسكيت
تواجه صناعة الخلايا الشمسية تحديات كثيرة، من أهمها الكلفة العالية والمنافسة الشديدة من قبل مصادر الطاقة التقليدية، وقلة الكفاءة التحويلية للخلايا الشمسية، مما يستلزم زيادة عدد الألواح الشمسية لتعويض هذا الانخفاض في الكفاءة.

لقد استخدم السيليكون منذ سنوات طويلة لصناعة الخلايا الشمسية، وتبلغ الكفاءة التحويلية للسيليكون ما بين 17 و23%، وقد سعى كثير من الباحثين إلى إيجاد بدائل عن السيليكون، تكون ذات كفاءة أفضل وأرخص، وتمت تجربة عدد كبير من المواد شبه الموصلة والتي حققت كفاءة تحويلية تتراوح ما بين 15 و20%.

ويعود الفضل في زيادة الاهتمام عالميا بأشباه موصلات البيروفسكيت إلى الفيزيائي "هنري سنيث" من جامعة أكسفورد البريطانية، حيث استطاع عام 2013 أن يزيد وبشكل كبير من كفاءة الخلايا الضوئية المصنوعة من كلوريد أيوديد رصاص مثيل الأمونيوم، والتي كان يتم استخدامها سابقا لكن بكفاءة تحويلية قليلة.

كما تمكن "سنيث" أيضا من استخدام مركبات البيروفسكيت لتصميم خلايا شمسية رخيصة الثمن وسهلة التصنيع، وهو يسعى إلى زيادة كفاءتها حاليا لتجاوز 29% وبذلك تتفوق على الخلايا الضوئية أرسينايد الجاليوم البلوري غالية الثمن والتي تستخدم في تشغيل الأقمار الاصطناعية.

ونظرا لأهمية مركبات البيروفسكيت في صناعة الألواح الشمسية، فقد شارك "سنيث" عام 2010 في تأسيس شركة " كهروضوئيات أكسفورد" والتي تسعى الآن إلى تطوير ألواح ضوئية مرنة وشفافة ومصنوعة من هذه المركبات، بحيث يمكن استخدامها في واجهات البنايات الكبيرة وكبديل عن زجاج النوافذ التقليدي، لتنتج الطاقة الكهربائية النظيفة من ضوء الشمس.

لقد كان للأداء العالي لخلايا البيروفسكيت صدى كبيرا بين الباحثين والأكاديميين والمهتمين بتكنولوجيا الطاقة الشمسية، إلا أن احتواء هذه المواد على مركب الرصاص، يثير كثيرا من المخاوف البيئية والصحية، إذ أن هذا المركب سام، كما أن مركبات البيروفسكيت قابلة للذوبان في الماء، وهذا يشكل تهديدا لصحة الإنسان ولعناصر البيئة المختلفة، وبسبب هذه المخاطر المحتملة، فإن الباحثين يسعون لإنتاج مواد جديدة من مركبات البيروفسكيت تكون خالية من الرصاص السام، بحيث يمكن التخلص منها مستقبلا بشكل آمن بعد استهلاكها.

إن التقدم السريع في استخدام أشباه موصلات البيروفسكيت لإنتاج الطاقة النظيفة من أشعة الشمس، يفتح آفاقا جديدة أمام صناعة الطاقة المتجددة في العالم، وعلى الرغم من أن عمر هذه المواد قصير نسبيا، إلا أن دورها في المستقبل سيكون كبيرا وهاما.

______________
* كاتب علمي متخصص في هندسة تكنولوجيا الصناعات الكيميائية