ما هي خلايا البيروفسكايت الشمسية الكهروضوئية؟ و ماهو مستقبلها؟

في طليعة الاكتشافات العلمية وأبحاث الطاقة المتجددة، أثارت فئة من المواد التي تدعى البيروفسكايت خيال بعض كبار العلماء والمهندسين في العالم.

تتمتع هذه المواد بقدرة مذهلة على إنتاج أكبر كميات من الطاقة الكهربائية من ضوء الشمس مقارنةً بأي مواد أخرى, وبتكاليف أقل بكثير من الخلايا الكهروضوئية السيليكونية التقليدية. قطعت دراسة هذا النوع من الخلايا الكهروضوئية شوطاً طويلاً خلال مدّة قصيرة, لكنها لا تزال بحاجة للكثير من الاختبارات والتجارب لتصل إلى مرحلة إطلاقها في الأسواق.

ونظراً لأهميتها الكبيرة والثورة التي قد تحدثها في مجال إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية, فقد عمل الباحثون على تطويرها بشكل دؤوب, حتى أنه يمكن أن نراها في الأسواق خلال العامين المقبلين, لذلك سنقوم بالتعرّف على هذه الخلايا والإطلاع على أهم ميزاتها خلال مقالين متتالين,

حيث سنتعرف في المقال الأول على مادة البيروفسكايت وأهميتها وكفاءة تحويل الطاقة فيها.

أولاً: ما هي البيروفسكايت؟

هي مادة من المواد ذات البنية البلورية المميّزة والمشابهة لبنية معدن يحمل نفس الاسم, تمّ اكتشافه لأول مرّة في روسيا في العام 1839. وهناك أنواع متعدّدة للبيروفسكايت, وأكثرها أهمية بالنسبة للاستخدام في مجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية هو البلورات المؤلّفة من جزيئات عضوية وأخرى لا عضوية تتصل بذرات من الرصاص أو القصدير.

ويبيّن الشكل التالي بنية أحد الأنواع وهو بلورات هاليد بيروفسكايت الرصاص, والتي تتألف من شبكة من جزيئات ثمانية الروابط تدعى هاليدات الرصاص وهي عبارة عن ذرة رصاص مرتبطة بست ذرات هالوجين وقد يكون هذا الهالوجين إمّا يود أو كلور أو البروم, تحيط هذه الشبكة بجزئ أصغر هو ميثيل أمونيوم كاتيون.

الهيكل الذري لمادة البيروفسكايت المستخدمة في الخلايا الشمسية

ثانياً: من أين تأتي أهمية البيروفسكايت؟

تضم خلايا البيروفسكايت في تصميمها القصدير أو الرصاص, وهي مواد جيدة لتصنيع الخلايا الشمسية الكهروضوئية, وتعتبر ذراتها مثالية لتكوين جزيئات مع ذرات أخرى للحصول على مواد أنصاف نواقل, يمكن إثارة إلكتروناتها باستخدام الطاقة الضوئية لإنتاج الطاقة الكهربائية.

وعلى عكس بلورات السيليكون, فإنّ عملية تصنيع خلايا البيروفسكايت سهلة جداً و لا تتطلب ظروف تشغيل خاصّة كدرجات الحرارة العالية المطلوبة لإنتاج بلورات سيليكونية بنقاوة عالية, بل يكفي عملية خلط المواد الكيميائية ضمن محلول, ثمّ وضعه على السطح المطلوب.

هذا إضافةً إلى أنها تتميّز بإمكانية ضبط كمية الطاقة الكهربائية التي تنتج عنها, من خلال التحكم بأنواع الجزيئات التي يتم تصنيع هذه الخلايا منها, وبالتالي تنتج مواد يمكن ضبط فجوة الحزمة لها بشكل مثالي, حيث تعبر فجوة الحزمة عن كمية الطاقة اللازمة لدفع الإلكترون إلى مستوى الطاقة الأعلى, بحيث يمكنه حمل الشحنة الكهربائية ضمن الدارة.

ثالثاً: كفاءة تحويل الطاقة في البيروفسكايت:

تحتوي كل ذرة على إلكترون سالب واحد أو أكثر يدور حول نواتها الموجبة، وتتكون الجزيئات من العديد من الذرات بناءً على عدد الإلكترونات التي تمتلكها كل ذرة، بينما تطفو الإلكترونات المشتركة حول الجزيء, وتقع الإلكترونات الخارجية في “نطاق التكافؤ” للذرات التي تدور حولها.

وتنتج الطاقة الكهروضوئية في المواد أنصاف النواقل الكهروضوئية, عندما تصطدم فوتونات الضوء بالإلكترونات الخارجية المتواجدة في نطاق التكافؤ وتدفعها إلى نطاق طاقي أعلى هو نطاق التوصيل, وتسمى الطاقة اللازمة لإتمام هذه العملية, أي دفع الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل, بفجوة الحزمة. وبمجرد وصول الإلكترون إلى نطاق التوصيل, يفقد ارتباطه بمدار الجزيء, ويصبح حاملاً للشحنة, يسبب بحركته ضمن المادة مرور التيار الكهربائي فيها.

تختلف كمية الطاقة التي يحملها الفوتون بحسب لون الضوء, وتقاس بالإلكترون فولت (eV), وتتراوح كمية الطاقة لفوتونات الضوء المرئي بين 1.75eV (للأحمر) و 1.3eV للضوء البنفسجي, وعليه فإنّ فجوة النطاق المثالية للمواد أنصاف النواقل الكهروضوئية هي 1.34eV, وهي النقطة التي سيتم عندها تحويل الحد الأقصى من الضوء المرئي إلى إلكترونات حاملة للشحنة.

صورة توضيحية:كيف يتسبب ضوء الشمس في أن تصبح الإلكترونات ناقلات شحن في الخلية الشمسية

وبهذا نتوصل لتعريف مهم جداّ في مجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية, وهو كفاءة تحويل الطاقة PCE, وهي كمية الطاقة الشمسية التي يمكن تحويله إلى كهرباء باستخدام الخلية الشمسية الكهروضوئية, وتبلغ كفاءة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية الكهروضوئية ذات فجوة النطاق المثالية والتي تمتلك تقاطعاً (تلامساً) واحداً بين طبقتيها الموجبة والسالبة الشحنة 33.7% من إجمالي كمية الضوء الواصلة إليها, وقد سميّت هذه الكفاءة بحد شوكلي – كوييسر Shockley-Queisser, نسبةً للفيزيائيين الذين اكتشفوها.

وعملياً, لا يمكن لمادة واحدة أن تمتلك فجوة نطاق مثالية لتحقيق كفاءة تحويل Shockley-Queisser. فمثلاً, تمتلك الخلايا الكهروضوئية السيليكونية فجوة نطاق تبلغ حوالي 1.2eV, أي أنّ الحد الأقصى لكفاءة تحويل الطاقة لها تبلغ حوالي 32%, بينما يمكن أن تصل هذه النسبة في أفضل خلايا بيروفسكايت الكهروضوئية إلى 31%, لكنها تتميّز عن الخلايا الكهروضوئية السيليكونية بالمرونة وإمكانية ضبط فجوة النطاق لديها.

ويتم ذلك من خلال التحكم بالتركيب الكيميائي لبلورة البيروفسكايت, بالتالي يمكن تصنيع مواد بيروفسكايت تمتلك فجوة نطاق قريبة جداً من الفجوة المثالية, كما يمكن تصنيع خلايا كهروضوئية متعدّدة الطبقات من البيروفسكايت, بحيث تمتلك كل طبقة فجوة نطاق مختلفة, وبهذه العملية, تثير الفوتونات عالية الطاقة الإلكترونات في الطبقة ذات فجوة النطاق الأوسع, بينما تثير الفوتونات المنخفضة الطاقة الإلكترونات في الطبقة ذات فجوة النطاق الأقل, مما يتيح إمكانية تحويل المزيد من الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

وقد وصلت كفاءة التحويل في بعض خلايا بيروفسكايت الكهروضوئية المتعدّدة الطبقات إلى 26%, وقد تمّ العمل مؤخراً على دمج طبقات بيروفسكايت مع خلايا سيليكونية تقليدية بترتيب “خلية ترادفية  tandem cell” بحيث يمكن للخلية الناتجة التقاط فوتونات تعجز الخلية الكهروضوئية السيليكونية من التقاطها لوحدها, وبالتالي رفع كفاءة تحويل الطاقة لها.

هيكل الخلايا الشمسية الترادفية بيروفسكايت

هيكل الخلية الشمسية الترادفية بيروفسكايت والسيليكون (على اليسار) والخلية الشمسية الترادفية بيروفسكايت – بيروفسكايت (على اليمين)

ويمكن من خلال الاستمرار في تطوير هذا النوع من الدمج بين تكنولوجيا البيروفسكايت الشمسية والخلايا السيليكونية الوصول إلى كفاءة تحويل تصل إلى 50%.

ومما سبق نستنتج أنه قد لا تمتلك خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية كفاءة تحويل مرتفعة, ولكنها ستكون جيدة بما يكفي مقابل تكلفتها المادية, مقارنةً بالخلايا الكهروضوئية السيليكونية ذات التكاليف المادية الأعلى.