علماء يتوصلون لطريقة تصنيع سريعة لوحدات بيروفسكايت بديل السيليكون في الألواح الشمسية

ابتكر علماء في جامعة ستانفورد الأمريكية، طريقة فائقة السرعة لتصنيع وحدات "بيروفسكايت" المستخدمة في صناعة الألواح الشمسية، ما يساعد في تعزيز تسويقها في السوق كبديل صديق للبيئة عن السيليكون الموجود في الألواح الشمسية، والذي يلوث البيئة خلال تصنيعه.
وحسب تقرير نشرته صفحة "ستانفورد نيوز"، المختصة بنشر أخبار الجامعة، فإن معظم الخلايا الشمسية اليوم مصنوعة من السيليكون المكرر الذي يحول ضوء الشمس إلى كهرباء نظيفة، لكن لسوء الحظ فإن عملية تكرير السيليكون أبعد ما تكون عن النظافة، حيث تتطلب كميات هائلة من الطاقة من محطات توليد الطاقة التي ينبعث منها الكربون.
وأظهر مختبر البروفيسور في جامعة ستانفورد رينولد داوسكاردت، أن وحدات البيروفسكايت يمكن إنتاجها بسعر أرخص وأسرع أربع مرات من ألواح السيليكون التقليدية، حيث ركز الباحثون على الأغشية الرقيقة منخفضة التكلفة، والخلايا الشمسية المرنة التي يمكن أن تنتج مع الحد الأدنى من الطاقة.
وفي حين أن خلايا البيروفسكايت الشمسية واعدة، فإنه يجب معالجة تحديات كبيرة قبل أن تصبح شائعة في الأسواق، مثل عدم استقرارها المتأصل، ما يجعل تصنيعها على نطاق واسع أمرًا صعبًا.
وعرضت الجامعة عبر حسابها الرسمي على يوتيوب، فيديو توضيحي لجهاز آلي يُصنع خلايا بيروفسكايت الشمسية بمعدل 40 قدمًا في الدقيقة، ويظهر استخدام المعالج ذو السرعة القياسية فتحتين لصنع أغشية رقيقة من البيروفسكايت الكهروضوئي، فيما تقوم إحدى الفوهات برش محلول كيميائي على لوح من الزجاج، بينما تطلق الأخرى دفقة من الغاز أو البلازما المتأينة شديدة التفاعل، وقد تم اختراع الجهاز الحاصل على براءة اختراع من قبل البروفيسور رينهولد داوسكاردت وزملائه في ستانفورد للهندسة.
ويقول نيك رولستون، عالم ما بعد الدكتوراة في جامعة ستانفورد: "تكنولوجيا الطاقة الشمسية المصنعة من البيروفسكايت على مفترق طرق بين التسويق التجاري وخصائصها، نعرف أنه يتم ضخ ملايين الدولارات في الشركات الناشئة لكنني أؤمن بشدة أنه في السنوات الثلاث المقبلة إذا لم يكن هناك اختراق يطيل عمر الخلية فإن هذه الأموال ستبدأ في النضوب".
وقال رولستون إن هذا هو السبب في أن عملية تصنيع البيروفسكايت الجديدة التي تم تطويرها في ستانفورد مثيرة للغاية، ففي دراسة جديدة، نُشرت في عدد 25 نوفمبر من مجلة جول، أظهر هو وزملاؤه طريقة فائقة السرعة لإنتاج خلايا بيروفسكايت مستقرة وتجميعها في وحدات شمسية يمكنها تشغيل الأجهزة والمباني وحتى شبكة الكهرباء.
وقال كبير مؤلفي الدراسة رينهولد داوسكاردت والأستاذ روث جي وويليام، في كلية ستانفورد للهندسة: "يوفر هذا العمل معلمًا جديدًا لتصنيع البيروفسكايت إنه يحل بعض أكثر الحواجز الهائلة التي تعترض التصنيع على نطاق الوحدات النمطية التي كان المجتمع يتعامل معها منذ سنوات".
ويبلغ خلايا البيروفسكايت الشمسية عينات بحجم أظافر الأصابع، وهي عبارة عن أغشية رقيقة من بلورات اصطناعية مصنوعة من مواد كيميائية رخيصة وفيرة مثل اليود والكربون والرصاص.
وتتميز تلك خلايا الأغشية الرقيقة بأنها خفيفة الوزن وقابلة للانحناء ويمكن زراعتها في مختبرات الهواء الطلق في درجات حرارة قريبة من نقطة غليان الماء، وهي بعيدة كل البعد عن التصنيع في أفران 3000 درجة فهرنهايت، اللازمة لتكرير السيليكون الصناعي المستخدم حاليا في صناعة الألواح الشمسية.
وطور العلماء خلايا البيروفسكايت التي تحول 25% من ضوء الشمس إلى كهرباء، وهي كفاءة تحويل تضاهي السيليكون، لكن من غير المرجح أن يتم تثبيت هذه الخلايا التجريبية على أسطح المنازل في أي وقت قريب.
وتتضمن معظم الأعمال المنجزة على البيروفسكايت مناطق صغيرة جدًا من الخلايا الشمسية النشطة والقابلة للاستخدام، حيث قال رولستون، الذي شارك في قيادة الدراسة مع ويليام شيديلر، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراة في جامعة ستانفورد الآن في كلية دارتموث: "إنهم عادةً ما يكونون جزءًا صغيرًا من حجم ظفر إصبع الخنصر".
لكن محاولات صنع خلايا أكبر أدت إلى حدوث عيوب وثقوب تقلل بشكل كبير من كفاءة الخلية، وعلى عكس خلايا السيليكون الصلبة، التي تدوم من 20 إلى 30 عامًا، ثم يتحلل البيروفسكايت الرقيق في النهاية عند تعرضه للحرارة والرطوبة.
وبالتالي يمكنك عمل جهاز تجريبي صغير في المختبر لكن معالجة البيروفسكايت التقليدية ليست قابلة للتطوير من أجل تصنيع سريع وفعال.
ولمواجهة التحدي المتمثل في الإنتاج على نطاق واسع، نشر فريق العلماء تقنية حاصلة على براءة اختراع قاموا باختراعها مؤخرًا تسمى معالجة البلازما السريعة بالرش.
تستخدم هذه التقنية جهازًا آليًا بفتحتين لإنتاج أغشية رقيقة من البيروفسكايت بسرعة فائقة، كما هو موضح في الفيديو.
وقال رولستون: "تتطلب المعالجة التقليدية تجهيز محلول البيروفسكايت لمدة نصف ساعة تقريبًا ويتمثل ابتكارنا في استخدام مصدر طاقة عالي البلازما لتحويل البيروفسكايت السائل بسرعة إلى خلية شمسية رقيقة في خطوة واحدة".
واضاف: "باستخدام معالجة الرش السريع تمكن فريق ستانفورد من إنتاج 12 مترًا من البيروفسكايت في الدقيقة أسرع أربع مرات مما يتطلبه تصنيع خلية سيليكون، لقد حققنا أعلى إنتاجية مقارنة بأي تقنية للطاقة الشمسية، يمكنكم تخيل ألواح كبيرة من الزجاج موضوعة على بكرات وتنتج باستمرار طبقات من البيروفسكايت بسرعات لم تتحقق من قبل".
وبالإضافة إلى معدل الإنتاج القياسي، حققت خلايا البيروفسكايت الجديدة كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 18%، حيث أشار رولستون إلى أن الفريق يريد جعل هذه العملية قابلة للتطبيق ومفيدة على نطاق واسع قدر الإمكان، لافتا إلى أنه قد يبدو نظام المعالجة بالبلازما خياليًا، لكنه شيء يمكنك شراؤه تجاريًا بتكلفة معقولة جدًا".