أخبار ar.wedoany.com، تخيل هذا السيناريو: سيارة متوقفة تحت أشعة الشمس، حيث يمكن لنوافذها وسقفها الزجاجي شحن البطارية في الوقت نفسه؛ أو نظارة ذكية ترتديها، حيث يمكن لعدساتها بحد ذاتها جمع الضوء وتزويد المكونات الإلكترونية داخل الإطار بالطاقة مباشرة.

مع ابتكار علماء من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة (NTU Singapore) لنوع جديد كلياً من الخلايا الشمسية فائقة الرقة والشفافية، أصبحت هذه التصورات الخيالية أقرب إلى الواقع خطوة جديدة.

قادت الأستاذة المشاركة أناليزا برونو (Annalisa Bruno) فريقاً بحثياً طور خلية شمسية فائقة الرقة وشفافة من البيروفسكايت. يبلغ سمكها واحداً على عشرة آلاف من سمك شعرة الإنسان، أي ما يعادل واحداً على خمسين من سمك خلايا البيروفسكايت التقليدية.

والأكثر إثارة للاهتمام هو أنه على الرغم من هذا الانخفاض الكبير في السمك، فقد حققت هذه الخلية رقماً قياسياً جديداً في كفاءة تحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء بين جميع الخلايا الشمسية فائقة الرقة المماثلة من البيروفسكايت حتى الآن.

نُشرت النتائج في مجلة "ACS Energy Letters" الصادرة عن الجمعية الكيميائية الأمريكية. ويعتقد الباحثون أن هذه التقنية، في المستقبل، يمكن تطبيقها على نطاق واسع في المباني والسيارات والأجهزة القابلة للارتداء، وذلك دون تغيير مظهرها الأصلي تقريباً.

تتميز هذه الخلايا بلونها شبه الشفاف والمحايد، مما يمكنها من الاندماج في النوافذ أو الواجهات الخارجية للمباني، مما يمنح المبنى بأكمله القدرة على توليد الكهرباء مع بقاء مظهره الخارجي دون تغيير تقريباً.

وقالت الأستاذة المشاركة برونو، المنتسبة إلى كلية العلوم الفيزيائية والرياضية وكلية هندسة المواد والعلوم بجامعة NTU: "حوالي 40% من استهلاك الطاقة العالمي يأتي من قطاع المباني. لذلك، هناك حاجة متزايدة وإلحاح متزايد للتقنيات التي يمكنها تحويل واجهات المباني إلى أسطح مولدة للطاقة".

وأضافت البروفيسورة برونو، التي تشغل أيضاً منصب مدير مجموعة أبحاث الطاقة المتجددة والحلول منخفضة الكربون وتخزين الطاقة في معهد الطاقة بجامعة NTU: "مزايا خلايا البيروفسكايت لدينا واضحة: عملية تصنيعها بسيطة ويمكن إنتاجها في درجات حرارة منخفضة. علاوة على ذلك، يمكن تعديلها لامتصاص أطوال موجية محددة من الضوء مع الحفاظ على خصائص الشفافية. كما أنها تمتلك إمكانية الإنتاج على نطاق واسع بمساحات كبيرة، مما يقلل من إجمالي انبعاثات الكربون".

على عكس الألواح الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون، يمكن لخلايا البيروفسكايت هذه الاستمرار في توليد الكهرباء حتى في ظروف ضوء الشمس غير المباشر والضوء المنتشر. هذه الميزة مناسبة بشكل خاص للبيئات الحضرية عالية الكثافة مثل سنغافورة، حيث تنتشر المباني الشاهقة ذات الواجهات الزجاجية العمودية بكثرة، بالإضافة إلى الغطاء السحابي المتكرر، مما يجعل من الصعب على الألواح الشمسية التقليدية الاستفادة الكاملة من ضوء الشمس.

على سبيل المثال، يذكر الفريق البحثي أنه إذا تم تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع في المستقبل، فإن واجهات الزجاج الكبيرة لن تكون مجرد غلاف للمبنى، بل قد تتحول إلى محطات طاقة حضرية.

وفقاً للحسابات الأولية، إذا تم تطبيق هذه التقنية على المباني المكتبية ذات الواجهات الزجاجية في مناطق مثل رافلز بليس (Raffles Place) أو مارينا باي (Marina Bay)، فإن كمية الكهرباء المولدة نظرياً سنوياً قد تصل إلى مئات الآلاف من الكيلوواط/ساعة.

تعتمد كمية الكهرباء المولدة تحديداً على مساحة الزجاج واتجاه المبنى، لكن قدرتها السنوية على التوليد تكفي لتلبية احتياجات حوالي 100 شقة نموذجية من أربع غرف تابعة لمجلس الإسكان والتطوير في سنغافورة (HDB) على مدار العام.

تصنيع خلايا شمسية شبه خفية

تتكون الخلايا الشمسية من البيروفسكايت في الواقع من طبقات متعددة، وأكثرها جوهرية هي طبقة أشباه الموصلات التي تمتص ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة كهربائية.

لصنع هذه الخلايا فائقة الرقة، استخدم فريق NTU طريقة تصنيع متوافقة مع الصناعة، وهي عملية التبخير الحراري. ببساطة، يتم أولاً تسخين المواد الخام داخل حجرة مفرغة حتى تتبخر، ثم تتكثف وتترسب على سطح الركيزة، لتشكل طبقة رقيقة جداً.

تكمن ميزة هذه الطريقة في قدرتها على ترسيب طبقة من البيروفسكايت موحدة وفائقة الرقة على مساحات كبيرة من المواد. كما أن العملية برمتها لا تتطلب استخدام مذيبات سامة، وفي الوقت نفسه تقلل من العيوب داخل الخلية، مما يزيد من كفاءة تحويل الطاقة الضوئية.

من خلال الضبط الدقيق لمعايير العملية، تمكن الباحثون من التحكم في سمك طبقة البيروفسكايت، وتصنيع أجهزة خلايا غير شفافة أو شبه شفافة.

يذكر الفريق أن هذه هي المرة الأولى عالمياً التي يتم فيها تصنيع خلية شمسية فائقة الرقة من البيروفسكايت بالكامل باستخدام عملية تفريغ هوائي. وهذا يعني أن هذه التقنية قد خطت خطوة كبيرة نحو الإنتاج الصناعي الواسع النطاق في المستقبل.

بفضل هذه التقنية، تمكن الباحثون من جعل طبقة امتصاص البيروفسكايت بسماكة 10 نانومتر فقط، مع الحفاظ على أداء توليد كهرباء ملحوظ.

عندما كانت سماكة طبقة البيروفسكايت 10 نانومتر و30 نانومتر و60 نانومتر على التوالي، حققت الخلايا غير الشفافة كفاءة تحويل طاقة ضوئية إلى كهرباء بلغت حوالي 7% و11% و12% على التوالي.

أما الخلية شبه الشفافة التي يبلغ سمكها 60 نانومتر، فقد سمحت بمرور حوالي 41% من الضوء المرئي، مع تحقيق كفاءة توليد كهرباء بلغت 7.6%.

ويقول الفريق البحثي إن هذا الأداء يضعها في مصاف المستويات الرائدة بين الخلايا الشمسية شبه الشفافة المماثلة من البيروفسكايت.

وهذا يعني أن نوافذ المباني في المستقبل يمكنها الحفاظ على الإضاءة الطبيعية والشعور بالشفافية، مع توليد الكهرباء في الوقت نفسه. وهذا له أهمية كبيرة بالنسبة للنوافذ الشمسية والواجهات الزجاجية أو واجهات المباني الخارجية الملونة.

قال الدكتور لوك وايت (Luke White)، المؤلف الأول للدراسة والباحث السابق في مرحلة الدكتوراه بمعهد الطاقة بجامعة NTU: "من خلال التحكم الدقيق في عملية التبخير الحراري، تمكن الباحثون بالفعل من ضبط شفافية الخلية الشمسية بحرية. وهذا يفتح آفاقاً جديدة للمباني الخضراء، مثل تركيب نوافذ ملونة يمكنها توفير التظليل وتوليد الكهرباء في آن واحد".

كما علق البروفيسور سام سترانكس (Sam Stranks)، أستاذ مواد الطاقة والإلكترونيات الضوئية في قسم الهندسة الكيميائية والتقنية الحيوية بجامعة كامبريدج، بصفته خبيراً مستقلاً: "هذه الطريقة تتحكم بدقة متناهية في سمك وتجانس الأغشية الرقيقة، وهذا هو بالضبط الشرط الأساسي الحاسم لانتقال الخلايا الشمسية شبه الشفافة إلى التسويق التجاري على نطاق واسع في المستقبل".

"خلايا البيروفسكايت شبه الشفافة هي مسار تقني مثير، يسمح لنا بجمع الطاقة من الأماكن التي يصعب على الألواح السيليكونية التقليدية العمل فيها، مثل النوافذ والجدران الخارجية وحتى الأجهزة الإلكترونية خفيفة الوزن".

"النتائج الحالية تحقق توازناً جيداً بين الشفافية وكمية الكهرباء المولدة. ومع ذلك، فإن العامل الحاسم التالي لنجاح هذه التقنية على أرض الواقع سيكون أداءها من حيث الاستقرار طويل الأمد والمتانة والأداء عند تطبيقها على مساحات كبيرة".

تزويد المدن بالطاقة بشكل مستمر

البروفيسورة برونو، التي تعمل منذ فترة طويلة في مجال خلايا البيروفسكايت الشمسية، بدأت أبحاثها السابقة حول خلايا البيروفسكايت المودعة بالتبخير الحراري تتجه نحو التصنيع. وهذا لم يدفع عجلة تطور الصناعة فحسب، بل مهد الطريق أيضاً لتحقيق التطبيق الصناعي في المستقبل.

كما حظيت ابتكاراتها بدعم قوي من برنامج الابتكار وريادة الأعمال بجامعة NTU. يهدف هذا البرنامج إلى مساعدة الفرق البحثية على تسريع نقل التقنيات المتطورة من المختبر إلى مرحلة التصنيع.

حالياً، قام الفريق بالفعل بتسجيل براءة اختراع لأغشية البيروفسكايت فائقة الرقة ذات البنية الجديدة من خلال شركة NTUitive، الذراع التجاري لنقل التكنولوجيا بالجامعة.

الآن، يتواصل الباحثون مع الشركات للتحقق من صحة عملية التبخير الحراري المستخدمة في هذه الدراسة وتوحيد معاييرها. قبل طرحها رسمياً في السوق، سيواصلون العمل على تحسين الاستقرار طويل الأمد للخلايا، ومتانتها، وأدائها عند الإنتاج على مساحات كبيرة.

مع ازدياد ازدحام المدن وتزايد الطلب على الكهرباء، يتم إعادة تعريف المباني؛ فهي لم تعد مجرد مستهلكة للطاقة، بل أصبحت منتجة محتملة للطاقة النظيفة.

اليوم، أصبحت الألواح الشمسية على الأسطح شائعة نسبياً، لكن الأسطح الرأسية للمباني، مثل النوافذ والواجهات الزجاجية الكاملة، لا تزال تمثل مساحة زرقاء شاسعة غير مستغلة.

يمثل هذا الاختراق خطوة حاسمة نحو دمج الخلايا الشمسية الشفافة في مجالات المباني والسيارات والأجهزة القابلة للارتداء. وهذا يعني أيضاً أن مدن المستقبل يمكنها توليد المزيد من الكهرباء النظيفة بنفسها دون الحاجة إلى شغل أراضٍ إضافية.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com