هل اقتربت الخلايا الشمسية العضوية من الجاهزية التجارية؟ نتائج صينية واعدة

مقدمة

تُعدُّ الخلايا الشمسية العضوية (Organic Solar Cells – OSC) من أكثر تقنيات التحويل الكهروضوئي وعودًا، لما تتميز به من خفة الوزن، وإمكانية التصنيع على ركائز مرنة، وتوافقها مع تقنيات الطباعة منخفضة التكلفة. غير أن محدودية الكفاءة وضعف الاستقرار الحراري والرطوبي ظلّا عقبتين رئيسيتين أمام انتقالها من المختبر إلى التطبيقات التجارية واسعة النطاق.

في هذا السياق، قدّم فريق بحثي صيني اختراقًا مهمًا؛ إذ نجح في تطوير خلايا شمسية عضوية تحقق كفاءة تحويل قدرها 18% مع استقرار استثنائي تحت اختبارات الظروف القاسية القياسية، ما يعيد فتح النقاش حول جاهزية هذه التقنية للدخول في سباق السوق.

لماذا الاستقرار هو التحدي الحاسم في الخلايا العضوية؟

تتعرّض المواد والواجهات في الخلايا الشمسية العضوية لتدهور متسارع عند التعرض المطوَّل للحرارة، والرطوبة، ودورات التبريد والتسخين، ويظهر ذلك في صورة:

• تحلل كيميائي في الطبقة النشطة والبوليمرات الموصلة؛
• تفاعلات ضارة عند الواجهات بين الطبقات العضوية والطبقات غير العضوية مثل أكاسيد الفلزات؛
• نفاذية لبخار الماء والأكسجين عبر طبقات التغليف، خاصة عند الحواف.

ولهذا طُوِّرت بروتوكولات معيارية مثل ISOS-D-3  للتخزين في الظلام وISOS-T-3  للتدوير الحراري، لمحاكاة ما تتعرض له الخلايا في تطبيقات حقيقية على مدى سنوات.

جوهر الابتكار – طبقة بينية واقية وتغليف محكَم

اعتمد الباحثون استراتيجية مزدوجة لمعالجة الاستقرار من الداخل والخارج في آن واحد:

1. تحسين الواجهة النشطة/أكسيد الموليبدنوم (MoO₃)
   • أظهرت الدراسة أن التدهور الحراري عند الواجهة بين الطبقة العضوية النشطة وطبقة MoO₃ في البنية المقلوبة (Inverted OPV) يعد أحد مصادر “الانهيار الأولي” أو ما يُعرف بظاهرة Burn-in
   • لمعالجة ذلك، أُدرِجت طبقة رقيقة من Buckminsterfullerene (C60) بين الطبقة النشطة وMoO₃، ما خفّض التفاعلات الضارة عند الواجهة ورفع الاستقرار الحراري الذاتي للجهاز.
2. تغليف متقدم منخفض النفاذية للرطوبة
   • طوّر الفريق نموذجًا ثنائي الأبعاد (2D) لانتشار بخار الماء، يُحلِّل الانتشار عبر السطح وعند الحواف، ومن ثم استخدم النتائج لوضع مبادئ تصميم للتغليف.
   • بناءً على ذلك، أضيفت خطوة تغليف بالضغط الحراري باستخدام شريط ألومنيوم–بيوتيل (Aluminum Butyl Tape – ABT) بسُمك 200 ميكرومتر، ما حقق معدلًا منخفضًا جدًا لانتشار بخار الماء جانبيًا وحدَّ من تسرب الرطوبة إلى الخلية.

منهجية الاختبار وانتقاء المواد

انطلق العمل من قياسات الامتصاص البصري UV–Vis المعتمد على درجة الحرارة لأفلام بوليمرية ممتزجة، بهدف تحديد درجة بدء الحركة الجزيئية (Onset Temperature) باعتبارها حدًا حرِجًا لتنشيط حركة السلاسل البوليمرية. استُخدمت هذه الدرجة الحرجة كمعيار لاختيار التركيبات البوليمرية المرشحة للخلايا العضوية ذات الاستقرار الحراري المرتفع. بعد ذلك، جرى اختبار عدة تراكيب من المستقبلات (Acceptors) في الطبقة النشطة، من بينها:

• L8-BO
• BTP-eC9
• Y6
• BO-4Cl

في بنية خلية مقلوبة تتكون من: ركيزة ITO / طبقة ZnO / الطبقة النشطة / طبقة C60 / طبقة MoO₃ / أقطاب Ag.

أداء الكفاءة والاستقرار تحت اختبارات  ISOS

أظهرت الخلايا المبنية على المزيج PM6:BO-4Cl:PC61PeA  أفضل أداء، حيث حققت:

• كفاءة تحويل معتمدة (Certified PCE) تبلغ 18.0%، وهي ضمن أعلى القيم المبلغ عنها لخلايا OSC بهذه البنية.
• احتفاظًا بنسبة 94% من الكفاءة الابتدائية بعد:
  • 1,032 ساعة من اختبار الحرارة–الرطوبة القياسي 85°C و85% رطوبة نسبية – Damp Heat) ،
  • 200 دورة حرارية بين –40°C و85°C

وتضع هذه النتائج الأجهزة ضمن أعلى مستويات الاستقرار الموثقة لخلايا عضوية خضعت للبروتوكولات ISOS-D-3  وISOS-T-3، وفق ما أشار إليه الباحثون.

دلالات بحثية وتطبيقية

تكمن أهمية هذه الدراسة في أنها لا تقدم جهازًا عالي الكفاءة فحسب، بل تقدم إطارًا منهجيًا لتعزيز استقرار الخلايا العضوية، يشمل:

• أداة عملية لاختيار التركيبات البوليمرية المستقرة حراريًا؛
• فهمًا أعمق لآليات التدهور عند الواجهات النشطة؛
• مبادئ تصميم لتغليف منخفض التكلفة وقابل للتوسيع.

ويفتح ذلك الباب أمام نقل هذه الاستراتيجية إلى:

• وحدات كبيرة المساحة (Modules)،
• أغشية رقيقة مطبوعة على ركائز مرنة،
• وتطبيقات متكاملة في واجهات المباني (BIPV)، والأسطح خفيفة الوزن.

 خاتمة

يُظهر هذا العمل أن الخلايا الشمسية العضوية لم تَعُد حبيسة المختبر بسبب مشكلات الاستقرار؛ إذ يمكن، من خلال معالجة واجهات المواد وتطوير استراتيجيات تغليف فعّالة، الجمع بين كفاءة تنافسية واستقرار حراري ورطوبي يقترب من متطلبات السوق.  ومع انتقال هذه المقاربة إلى الوحدات كبيرة المساحة وخفض تكاليف التغليف، قد تصبح OSC خيارًا عمليًا في منظومة الطاقة الشمسية المستقبلية، خاصة في التطبيقات التي تتطلب خفة الوزن والمرونة التصميمية.

📚  المصدر

pv magazine – “Chinese scientists build 18%-efficient organic solar cells with enhanced stability”, 21 November 2025
https://www.pv-magazine.com/2025/11/21/chinese-scientists-build-18-efficient-organic-solar-cells-with-enhanced-stability/