هل يمكن للمادة الشمسية الجديدة الأكثر إثارة أن ترقى إلى مستوى ضجيجها؟

يعد البيروفسكايت بأن يكون أقل تكلفة وأكثر كفاءة من السيليكون - وتقول العديد من الشركات إنها على وشك إنتاجه على نطاق واسع.



29 يونيو 2021 بيروفسكايت مرن

تقنيات الصفصاف

كان اختبار خلايا البيروفسكايت الشمسية في المختبر يتطلب زوجًا لائقًا من أحذية الجري. تحطمت المواد بسرعة كبيرة لدرجة أن العلماء كانوا ينطلقون من المكان الذي صنعوا فيه الخلايا إلى حيث اختبروها ، محاولين قياس أدائها قبل أن تتدهور الخلايا في أيديهم - عادة في غضون دقيقتين.





بيروفسكايت لطالما سحر الباحثين بوعدهم بإنتاج خلايا شمسية غير مكلفة وعالية الكفاءة. والآن تخطو العديد من الشركات خطوات كبيرة نحو إنتاج خلايا البيروفسكايت الشمسية التجارية على نطاق واسع.

لكن عدم استقرار المواد هدد بعرقلة طريقها إلى أسطح المنازل ومحطات الطاقة. على الرغم من قول عدد قليل من الشركات إنها نجحت في حل التحدي ، على الأقل بشكل جيد بما يكفي لطرح المنتجات الأولية في السوق خلال العام ، لا يزال بعض الباحثين متشككين.

يريد الناس مني أن أقول 'أنا أعلم بالتأكيد أن هذا سيكون مستقرًا ، وسيكون فعالاً وسنقوم بغزو العالم ،' جوزيف بيري ، الذي يقود برنامج أبحاث البيروفسكايت في المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة. وجزء مني يؤمن بذلك ، لكن جزءًا مني كعالم يقول ، 'ليس لدي البيانات'.



انتهاكات المراقبة من قبل الشرطة

امتصاص أشعة الشمس

البيروفسكايت عبارة عن مواد اصطناعية ، غير مكلفة وسهلة الإنتاج نسبيًا حتى بكميات كبيرة. عادةً ما تكون البيروفسكايت الشائعة المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية شيئًا مثل هاليد ميثيل أمونيوم الرصاص ، لكن عائلة البيروفسكايت تضم آلاف المواد التي تشترك في نفس التركيب البلوري. مغلفة بقاعدة مرنة ، يمكنها إنتاج خلايا شمسية رقيقة وقابلة للانحناء.

في حين ظهرت العديد من المواد الكهروضوئية الجديدة في العقود الأخيرة ، لم يحدث أي منها تأثيرًا كبيرًا في السوق ، الذي يهيمن عليه السيليكون. يوجد في حوالي 95٪ من الخلايا الشمسية الموجودة.

بعض شركات البيروفسكايت ، مثل تقنيات الصفصاف في وارسو ، يحاولون ترك السيليكون وراءهم تمامًا. طورت الشركة ، التي تأسست في عام 2014 ، عملية طباعة بنفث الحبر لتصنيع خلايا بيروفسكايت الشمسية المغلفة ببلاستيك مرن. يبلغ وزن اللوحة التي تحتوي على خلايا Saule حوالي عُشر ثقيلة لوحة السيليكون من نفس الحجم.

في مايو ، افتتح Saule مصنعًا يمكنه إنتاج حوالي 40.000 متر مربع من الألواح سنويًا. هذا يكفي لتوليد حوالي 10 ميغاواط من الطاقة (بعض المصانع التي تنتج خلايا السيليكون أكبر بمئات المرات).



تقربنا هذه الخلايا الشمسية المرنة من التخلص من عادة الوقود الأحفوري لم تستطع أي مادة شمسية أن تحل محل السيليكون. البيروفسكايت ، الأرخص بكثير ويمكن تحويله إلى وحدات مرنة ، يمكن أن يغير ذلك.

في حين أن البيروفسكايت لديها القدرة على الوصول إلى كفاءات عالية ( رقم قياسي عالمي بالنسبة لخلية من مادة البيروفسكايت فقط تزيد قليلاً عن 25٪) ، فإن معظم خلايا البيروفسكايت الأفضل أداءً اليوم تكون صغيرة جدًا - أقل من بوصة واحدة.

يؤدي التوسع إلى زيادة صعوبة الوصول إلى حدود الكفاءة المحتملة. في الوقت الحالي ، تصل كفاءة ألواح Saule ، التي يبلغ عرضها مترًا ، إلى حوالي 10٪. يتضاءل هذا مع ألواح السيليكون التجارية ذات الأحجام المتشابهة ، والتي تصل عادةً إلى حوالي 20٪ من الكفاءة.

أولغا مالينكيفيتش ، مؤسس Saule وكبير مسؤولي التكنولوجيا ، يقول إن هدف الشركة كان الحصول على خلية شمسية من البيروفسكايت فقط خارج المنزل ، ولن تكون الكفاءات المنخفضة مهمة إذا كانت التكنولوجيا رخيصة بما يكفي.

تحاول Saule الذهاب إلى حيث لا تستطيع الألواح الشمسية السيليكونية: إلى الأسطح التي لا يمكنها تحمل وزن الألواح الزجاجية الثقيلة المغلفة ، أو إلى تطبيقات أكثر تخصصًا ، مثل الستائر التي تعمل بالطاقة الشمسية ، والتي تختبرها الشركة حاليًا.

بينما تطلق Saule منتجات الأغشية الرقيقة لمزيد من التطبيقات المتخصصة ، تأمل الشركات الأخرى في التغلب على السيليكون ، أو على الأقل الانضمام إليه في لعبتها الخاصة. مقرها المملكة المتحدة أكسفورد PV يقوم بدمج البيروفسكايت في خلايا البيروفسكايت والسيليكون المركبة.

نظرًا لأن السيليكون يمتص الضوء باتجاه النهاية الحمراء للطيف المرئي ، ويمكن ضبط البيروفسكايت لامتصاص أطوال موجية مختلفة ، فإن طلاء طبقة من البيروفسكايت أعلى خلايا السيليكون يسمح للخلايا المركبة بالوصول إلى كفاءة أعلى من السيليكون وحده.

تعتبر الخلايا المركبة من أكسفورد PV ثقيلة وصلبة ، مثل خلايا السيليكون فقط. ولكن نظرًا لأنها بالحجم والشكل نفسه ، يمكن للخلايا الجديدة أن تدخل بسهولة في الألواح لصفائف أسطح المباني أو المزارع الشمسية.

تجمع Oxford PV بين البيروفسكايت والسيليكون لإنتاج خلايا شمسية عالية الكفاءة.

أوكسفورد بي في

كريس كيس يقول كبير مسؤولي التكنولوجيا في Oxford PV ، إن الشركة تركز على خفض التكلفة المعيارية للكهرباء ، وهو مقياس يؤثر في تكاليف تركيب النظام وتشغيله مدى الحياة. بينما يضيف وضع طبقات من البيروفسكايت فوق السيليكون إلى تكلفة التصنيع ، يقول إن التكلفة المعيارية للخلية المركبة يجب أن تنخفض إلى ما دون السيليكون بمرور الوقت لأن هذه الخلايا الجديدة أكثر كفاءة. سجلت أكسفورد العديد من الأرقام القياسية العالمية في كفاءات هذا النوع من الخلايا في السنوات القليلة الماضية ، وصل آخرها إلى 29.5٪.

Microquanta أشباه الموصلات ، وهي شركة بيروفسكايت صينية مقرها في هانغتشو ، تأخذ أيضًا بعض الإشارات من خلايا السيليكون الشمسية. تقوم الشركة بتصنيع الألواح من خلايا صلبة مغلفة بالزجاج مصنوعة من البيروفسكايت.

تم افتتاح المصنع التجريبي لشركة Microquanta في عام 2020 ، ومن المتوقع أن تصل طاقته الإنتاجية إلى 100 ميغاوات بحلول نهاية العام ، بحسب ما يقول بويي يان ، رئيس قسم التكنولوجيا في الشركة. الشركة لديها لوحات توضيحية مثبتة في العديد من المباني ومزارع الطاقة الشمسية في جميع أنحاء الصين.

حل من أجل الاستقرار

تحسن استقرار البيروفسكايت من دقائق إلى شهور في غضون بضع سنوات. لكن معظم خلايا السيليكون المثبتة اليوم تتمتع بضمان يصل إلى حوالي 25 عامًا ، وهو هدف قد لا يتمكن البيروفسكايت من الوصول إليه بعد.

تعتبر البيروفسكايت حساسة بشكل خاص للأكسجين والرطوبة ، والتي يمكن أن تتداخل مع الروابط في البلورة ، مما يمنع الإلكترونات من التحرك بشكل فعال عبر المادة. يعمل الباحثون على تحسين عمر البيروفسكايت ، عن طريق تطوير وصفات أقل تفاعلًا من البيروفسكايت وإيجاد طرق أفضل لتغليفها.

يقول كل من Oxford PV و Microquanta و Saule أنهم نجحوا في حل مشكلة الاستقرار ، على الأقل بشكل جيد بما يكفي لبيع منتجاتهم الأولى.

عادةً ما يتم تقدير الأداء طويل المدى في الخلايا الشمسية عن طريق الاختبار السريع ، ووضع الخلايا أو الألواح تحت ظروف شديدة الضغط لمحاكاة سنوات من التآكل والتلف. مجموعة الاختبارات الأكثر شيوعًا لخلايا السيليكون الخارجية هي سلسلة تسمى IEC 61215.

اجتاز كل من Oxford و Microquanta الاختبارات في هذه السلسلة المتعلقة بأداء الخلية. يقول مالينكيفيتش إن Saule اجتاز بعض الاختبارات ، لكنه لا يزال يعمل على اختبارات أخرى ، مثل اختبار الرطوبة.

عادةً ما يعني اجتياز السلسلة الكاملة أن الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون ستستمر لمدة 25 عامًا على الأقل ، على الرغم من أن الباحثين لا يستطيعون التأكد مما إذا كان الارتباط نفسه ينطبق على مواد جديدة مثل البيروفسكايت.

هل الدماغ جهاز كمبيوتر

فحصت أكسفورد PV بعضًا من آلاف المركبات التي تشكل عائلة البيروفسكايت للعثور على تركيبات أكثر ثباتًا. رفضت الشركة الكشف عن تفاصيل الأداء ، على الرغم من أن Case تقول إنها تتوقع تمامًا أن تتمتع منتجاتها بعمر مشابه لخلايا السيليكون. قامت الشركة بتركيب لوحات اختبار على سطح في وسط أوروبا في ديسمبر 2019 ، وتقول كيس إنه حتى الآن ، تُظهر الألواح التي تحتوي على خلايا ذات طبقات من البيروفسكايت نفس التدهور مثل ألواح السيليكون التجارية التي قاموا بتثبيتها للمقارنة.

يقول يان من Microquanta إن الشركة قامت بتركيب خلايا اختبار في الهواء الطلق في فبراير 2020 والتي لا تزال تصل إلى نفس القوة القصوى اليوم كما كانت عند تركيبها.

تعرض Microquanta ألواحها الشمسية في المباني وفي مزارع الطاقة الشمسية في جميع أنحاء الصين.

ميكروكوانتا أشباه الموصلات

لتحسين الاستقرار في منتجاتها ، أجرى Saule تغييرات على الملامسات المعدنية في الخلية ، وكذلك على طبقة البيروفسكايت. يقول مالينكيفيتش إن الجيل الأول من خلايا البيروفسكايت المغطاة بالبلاستيك من Saule سيحصل على ضمان أداء لمدة 10 سنوات على الأقل. وبينما تدوم خلايا السيليكون لفترة أطول ، تأمل أن يقنع السعر المنخفض وسهولة التركيب العملاء بقبول عمر أقصر.

بعض الباحثين غير مقتنعين بهذه الادعاءات. يقول إن قضايا الاستقرار ، على حد علمي ، لم تتم معالجتها بشكل جيد ليتيان ضو ، باحث بيروفسكايت في جامعة بوردو في إنديانا. يقول Dou إنه من الصعب معرفة ما تنوي فعله هذه الشركات لأنها تحافظ على سرية تطوراتها المادية ، على الرغم من أنه يضيف أن اجتياز الاختبارات الخارجية مثل IEC 61215 يعد أمرًا واعدًا.

مختبر Dou هو واحد من العديد من المختبرات التي تم اختيارها مؤخرًا لتلقي تمويل من وزارة الطاقة الأمريكية لمحاولة حل بعض المشكلات المتبقية للتكنولوجيا. مارس 2021 ، أعلن القسم 40 مليون دولار في شكل منح لدعم البحث في البيروفسكايت ، معظمها لمشاريع تركز على تحسين استقرار هذه المواد وجعلها أسهل في التصنيع.

على الرغم من أن خلايا البيروفسكايت تحصل على المزيد من التمويل والاهتمام ، إلا أن الوقت وحده هو الذي سيحدد ما إذا كان بإمكانها التنافس أو التعايش مع السيليكون. ومع ذلك ، لا يزال الباحثون متفائلين بشأن احتمالية توفير طاقة شمسية أرخص وأكثر سهولة. يقول بيري في المختبر الوطني للطاقة المتجددة إن العلامات كلها جيدة.

ويضيف أنه حتى بعد سنوات من البحث ، لا يزال يتعين على الشركات العاملة في هذا المجال قبول بعض عدم اليقين. إذا كنت تريد أن تكون على حافة النزيف ، كما يقول ، فسيتعين عليك التعايش مع بعض المخاطر.

يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به