اختراق تقني واعد في إنتاج الخلايا الترادفية: كفاءة 27.8% بتقنية هجينة بين Fraunhofer ISE وKAUST
في إنجاز بارز يدفع بخلايا البيروفسكايت-سيليكون نحو التصنيع التجاري، نجح باحثون من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) ومعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (Fraunhofer ISE) في تحقيق كفاءة بلغت 27.8% لخلايا شمسية ترادفية تعتمد على مزيج من البيروفسكايت والسيليكون، مستخدمين طريقة تصنيع هجينة تجمع بين تقنيتي الطلاء بالشفرات (Blade-Coating) والتبخير (Evaporation)، كبديل أكثر قابلية للتوسّع مقارنة بتقنية الطلاء الدوراني (Spin-Coating) الشائعة في المختبرات.
يشير الباحثون إلى أن هذا النهج الهجين يقدم مسارًا واعدًا نحو التصنيع الصناعي واسع النطاق لهذه الخلايا الترادفية عالية الكفاءة، إذ يتيح إنتاج طبقات بيروفسكايت متجانسة ومستقرة دون أن يتأثر سُمكها بسرعة الطلاء – وهي مشكلة كانت تحدّ من كفاءة الطرق التقليدية أحادية الخطوة.
تقنيات تصنيع مبتكرة لتمكين التصنيع الصناعي
تعتمد الخلايا الترادفية على وضع خلية بيروفسكايت أعلى خلية سيليكون لزيادة امتصاص الضوء وتحسين إنتاجية الطاقة. ولتحقيق الكفاءة العالية البالغة 27.8%، استخدم الفريق البحثي تقنية التبخير لترسيب المكونات غير العضوية للبيروفسكايت، تلتها مرحلة طلاء بالشفرات للمكونات العضوية. هذه الطريقة سمحت بالحفاظ على انتظام سماكة طبقة البيروفسكايت وتحسين جودة التلامس بين الطبقات، مما أدى إلى رفع الجهد المفتوح للدوائر إلى ما يزيد عن 1900 ملي فولت.
وأكدت د. جوليان بورشرت، رئيسة مجموعة مواد البيروفسكايت في Fraunhofer ISE، أن الطلاء الدوراني يظل فعالًا في المختبرات، لكنه غير ملائم للإنتاج الصناعي. وأشارت إلى إمكانية نقل المعارف المكتسبة من تقنية الطلاء بالشفرات إلى تقنية الطلاء بالقنوات (Slot-Die Coating)، التي تُعد أكثر ملاءمة لخطوط الإنتاج المتطورة.
بين المختبر والتصنيع: الفجوة تتقلص
رغم أن كفاءة الخلايا الترادفية من نوع بيروفسكايت-سيليكون تجاوزت 33% في المختبرات – كما في إعلان شركة JinkoSolar في يناير 2025 بتحقيق كفاءة 33.84% – فإن التحدي الرئيسي لا يزال في ترجمة هذه الأرقام إلى خطوط إنتاج صناعية مستقرة ومنخفضة التكلفة.
من جانبه، أشار الباحث أوسامة الراجي، طالب الدكتوراه وقائد المشروع في Fraunhofer ISE، إلى أن المنهجية الهجينة التي طوّرها الفريق تمثل خطوة حقيقية نحو إنتاج خلايا ترادفية بكفاءة عالية على نطاق صناعي، مع الحفاظ على التوازن بين الأداء والجدوى الاقتصادية.
ما الذي يجعل تقنية البيروفسكايت-سيليكون خيارًا واعدًا لتقنيات الجيل التالي في الطاقة الشمسية؟
تكمن جاذبية الخلايا الترادفية من نوع بيروفسكايت-سيليكون في قدرتها على تجاوز الحاجز النظري للكفاءة الذي تفرضه خلايا السيليكون التقليدية (حوالي 29%). فمن خلال الجمع بين مادة البيروفسكايت، التي تلتقط الفوتونات عالية الطاقة في الطيف الشمسي، والسيليكون، الذي يستغل الفوتونات الأقل طاقة، يتم تحسين استغلال الضوء الشمسي بشكل كبير. هذا التصميم الترادفي يسمح بتحقيق كفاءة تتجاوز 33% في المختبر، وهو ما يفوق أداء معظم التقنيات التجارية المتوفرة حاليًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام تقنيات تصنيع منخفضة الحرارة مثل الطلاء بالشفرات أو الطلاء بالقنوات يعزز إمكانية إدماج هذه الخلايا في تطبيقات جديدة مثل الأسطح الزجاجية الذكية أو الهياكل المعمارية المدمجة، مما يوسع آفاق استخدامها في بيئات متنوعة. ومع استمرار الابتكارات في التصنيع، كما في التعاون بين KAUST وFraunhofer ISE، تزداد احتمالات تحول هذه التقنية إلى معيار صناعي في العقد القادم.
