الخلايا الشمسية الكهروضوئية العضوية, ما هي ومما تتألف وما هي أهم ميّزاتها؟

تعتبر الخلايا الشمسية الكهروضوئية العضوية Organic PhotoVoltaic (OPV) من تقنيات الجيل الثالث للخلايا الكهروضوئية, وأكثرها إثارة للفضول والتي يمكن أن تغيّر ما هو مألوف في مجال الطاقات المتجددة, بإمكانياتها اللامحدودة.

سنتعرف في هذا المقال على هذه التقنية وموقعها الحالي في الصناعة, وما هي أهم ميزاتها وسلبياته.

أولاً: ما هي الخلايا الكهروضوئية العضوية؟

تعدّ أحدث تقنيات الخلايا الكهروضوئية, التي حظيت باهتمام المتخصصين في مجال الطاقات المتجددة, بسبب أدائها العالي وقدرتها غير المسبوقة على امتصاص ضوء الشمس, وتنوعها التكنولوجي المذهل.

وعلى عكس الخلايا الكهروضوئية البلورية التقليدية التي تستخدم السيليكون لامتصاص ضوء الشمس, فإنّ هذه الخلايا تستخدم البوليمير أو خلايا جزئية صغيرة مصنّعة من مواد قائمة على الكربون والإلكترونيات العضوية لامتصاص ضوء الشمس, مما يتيح إمكانية تصنيع خلايا كهروضوئية رقيقة جداً وخفيفة الوزن للغاية, ما يجعلها أكثر متانة ومرونة في تغطية مساحات أكبر بكثير من الخلايا الكهروضوئية التقليدية. ورغم أنها تقنية حديثة نسبياً إلى أنها تشكل مستقبل صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تركيبة ومكونات الخلايا الشمسية العضوية

ثانياً: ما آلية عمل الخلايا الكهروضوئية العضوية؟

كغيرها من تقنيات الخلايا الكهروضوئية المختلفة, تعتمد الخلايا الكهروضوئية العضوية على خاصية التأثير الكهروضوئي لإنتاج الطاقة الكهربائية من ضوء الشمس. وباختصار, يمكن تعريف التأثير الكهروضوئي بأنه عملية تحويل الضوء إلى تيار كهربائي على المستوى الذرّي, حيث يتم امتصاص الضوء على شكل حزم صغيرة من الطاقة تعرف بالفوتونات, مما يؤدّي إلى تحرير الإلكترونات الحرّة في المواد أنصاف النواقل في الخلية, مما ينتج تياراً كهربائياً. وبينما تستخدم الخلايا الكهروضوئية التقليدية أنصاف نواقل من السيليكون لإتمام هذه العملية, فإنّ الخلايا الكهروضوئية العضوية تستخدم مركبات كربونية خاصة تعمل كأنصاف نواقل.

ثالثاً: أهم ميّزات الخلايا الكهروضوئية العضوية:

إنّ أهم ما يميّز الخلايا الكهروضوئية العضوية هو وزنها الخفيف ومرونتها العالية, مقارنةً بالخلايا الكهروضوئية التقليدية, مما يتيح إمكانية أكبر في تكييفها (تطويعها) واستخدامها على مساحات واسعة وفي أماكن يصعب استخدام الخلايا الكهروضوئية التقليدية فيها.

كما تتميّز الخلايا الكهروضوئية العضوية بانخفاض تكاليف التصنيع, وتأتي هذه الميّزة من خاصية الذوبان للجزيئات العضوية المستخدمة في تصنيع هذه الخلايا, مما يتيح للمصنعين إمكانية تصنيعها بتقنية تصنيع بكرة لبكرة (roll to roll), وهي تقنية في مجال صناعة الإلكترونيات بحيث تصنع المكونات الإلكترونية على بكرة (أو أسطوانة) من مادة بلاستيكية لدنة أو رقاقة معدنية أو ألياف زجاجية مرنة, وتعد هذه العملية تطويراً لعملية الإلكترونيات المطبوعة، وقد كسبت أهمية بسبب كونها مربحة اقتصادياً، لأنها تخفض من تكلفة الإنتاج.

وبما أنّه يتم تصنيع الخلايا الكهروضوئية العضوية من مواد عضوية متوفّرة بكثرة, هذا يفتح الأبواب أمام إنتاج كميات كبيرة منها لاستخدامها على أوسع نطاق وبأسعار منخفضة.

رابعاً: بعض سلبيات الخلايا الكهروضوئية العضوية:

تعتبر تقنية الخلايا الكهروضوئية العضوية تقنية حديثة لا زال البحث والعمل فيها بمراحله الأولى, مقارنةً بالخلايا السيليكونية التقليدية, ولم يتم تحديد كل حيثياتها بعد.

حيث لا تزال كفاءة تحويل الطاقة لها منخفضة جداً مقارنةً بالخلايا الكهروضوئية التقليدية, فبينما وصلت كفاءة التحويل في الخلايا الكهروضوئية التقليدية إلى 20% أو حتى 25%, فإنّ كفاءة التحويل للخلايا العضوية لم تتجاوز 12% بعد.

كما أن هذه الخلايا قد تتعرّض للتحلل بمعدلات عالية عند تعرضها للعوامل البيئية الخارجية كونها مواد عضوية, مما يجعل عمرها التشغيلي أقل بكثير مقارنةً بالخلايا السيليكونية التقليدية.

الخلايا الشمسية الترادفية المعالجة بالمحلول بكفاءة 17.3٪

خامساً: مستقبل الخلايا الكهروضوئية العضوية:

هناك بحث مكثّف لتحسين الخلايا الكهروضوئية العضوية على نطاق واسع. وكونها تتمتع ببنية متينة ومرنة وشبه شفافة, فيمكن استخدامها في التطبيقات التي لا يمكن استخدام الخلايا التقليدية فيها, فمثلاً, قد يتيح استخدامها مستقبلاً تحويل النوافذ أو السيارات أو المباني إلى منابع للطاقة الكهربائية.

وتقوم العديد من الأبحاث لرفع كفاءة الخلايا العضوية وتحسين أدائها واستقرارها على المدى البعيد, وهذين العاملين يشكلان أهم العوامل التي لا تزال تعيق انتشار استخدام الخلايا الكهروضوئية العضوية على نطاق واسع.