احتمالية الجيل القادم من الجيل الشمسي الخلايا

كيف يُمكن للمُتفجرات أن تُصبح مُتفجرة من خلايا (سيليكون سولار)

وقد تغلبت الفولطية الضوئية السيليكونية على الصناعة الشمسية منذ عقود، حيث تمثل أكثر من 95 في المائة من الوحدات المركبة في جميع أنحاء العالم، وتحقق خلايا السيليكون الكرازلين كفاءة تفوق 26 في المائة في البيئات المختبرية، وتحافظ على فترات الحياة التشغيلية التي تتراوح بين 25 و 30 سنة مع الحد الأدنى من التدهور، وعلى النقيض من ذلك، تقدم هذه المركبات عرضاً مختلفاً جوهرياً للقيمة المتأصلة في التصنيع المنخفض التكلفة والمرونة بدلاً من الكفاءة الميكانيكية.

وتحتاج خلايا السيليكون إلى تجهيزات عالية الحرارة، وترسيب الفراغ، وظروف غرفة التنظيف، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف رأس المال، ويمكن تصويب أولوجين باستخدام الطباعة من الطراز إلى القيد، أو التغليف من العصور في فترات زمنية طويلة، أو ترسب الرش في ظروف آمنة، مما يقلل بشكل كبير من وقت انتعاش الطاقة وتعقيد التصنيع.

وثمة اختلاف أساسي آخر يكمن في استيعاب الضوء، إذ أن السيليكون هو موصل نصفي غير مباشر، بمعنى أنه يتطلب طبقات سميكة نسبيا(6212)؛ ومئات من الميكرومترات(6212)؛ لا يمكن أن تستوعب ضوء الشمس الكافي؛ إذ أن الموصلات العضوية لديها قطعان مباشرة ذات معامل امتصاص عالية، مما يتيح طبقات نشطة فقط من 100 إلى 300 من المقاييس ذات القوة السامية لحصر معظم الصور.

أهم الملاءمات الفوتوليكية العضوية

وتمتد مزايا المواد العضوية المحتوية على ملوثات عضوية ثابتة عبر سيناريوهات التصنيع والنشر والاستخدام النهائي، وكل فائدة تنشأ عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة لشبه الموصلات العضوية وأساليب التجهيز التي تمكنها.

المرونة ومصانع الاستمارة

ويمكن إيداع شبه موديلات عضوية في مصانع بلاستيكية مثل كبريتات البوليثيلين أو مناديل البوليثيلين، وإنتاج خلايا شمسية يمكن أن تكون ملتوية أو ملفوفة أو ملفوفة حول أسطح مصفورة، وهذه المرونة تتيح دمج المواد العضوية في مواد البناء، وألواح التعبئة بالمركبات، والإلكترونيات المحمولة بطرق لا يمكن أن تتطابق مع التطبيقات المضغوطة للزراعة.

بناء الوزن الخفيف

ونظرا لأن الطبقات العضوية العاملة أقل من مقاس واحد من الميكرومترات الصغيرة ذات السمعة المرنة هي أقصر بكثير من الزجاج، فإن وحدات OPV يمكن أن تزن أقل من بضع مئات غرامات لكل متر مربع، وهذا الوزن المنخفض حاسم بالنسبة لتطبيقات مثل الطائرات بدون طيار والمركبات الكهربائية والمعدات العسكرية المحمولة، حيث تقلل كل كيلوغرام من الحمولة من النطاق أو التحمل، بالنسبة للتركيبات ذات الوزن السطحي التي لا يمكن أن تدعم وزنا تقليديا.

تصنيع منخفض

كما أن القدرة على تجهيز الموصلات العضوية شبه الموصلات من الحل تتيح الطباعة من البداية إلى النتائج العالية، ومثل الطريقة التي تنتج بها الصحف والتغليف، ولا يلزم اتخاذ خطوات فراغية، كما أن مدخلات الطاقة من أجل التصنيع أقل بكثير من تكلفة السيليكون، كما أن المشروع الذي أجري مؤخرا لتحليلات التكنولوجيا الاقتصادية يمكن أن تقل تكاليف وحدة OPV عن 0.50 دولار للوالت الواحد بعد أن تصل مستويات التصنيع إلى مستوى الفرنكات(30).

Tunable Optoelectronic Properties

ويمكن للكيمياء الأساسيين تعديل الهيكل الجزيئي للمانحين والمستقبلين لتحويل مطياف الاستيعاب، وتعديل مستويات الطاقة، وتحسين النقل بالشحنات، وهذا التوحيد يسمح بتصميم المواد المحتوية على مطفأة على أضواء محددة، مثل الضوء داخلي أو ممتد، حيث يمكن أن تفوق أداء النسيج، وعلى سبيل المثال، أظهرت الأجهزة الكهربائية المتطورة في مجال الإضاءة الداخلية وجود كفاءة في استخدام أجهزة إنترنت تزيد على 26 في المائة من المباني المأخوذة بالأشعة.

Semitransparency and Color Customization

ويمكن أن تكون الأوبليوبولية، عن طريق التحكم في سميك وتكوين الطبقات العاملة، شبه شفافة مع أطنان محايدة أو مصممة خصيصا، وهذه الممتلكات قيمة بشكل خاص بالنسبة للفولطيات الضوئية المدمجة في المباني، حيث تحدد الاعتبارات الجمالية في كثير من الأحيان التبني، ويمكن للمحفوظات أن تدمج بين النوافذ والنور والسماء والحوائط الخفية وتولد الكهرباء مع الحفاظ على الراحة الطبيعية والبصرية.

القيود والتحديات التقنية الحالية

وعلى الرغم من هذه المزايا، تواجه المكاتب الميدانية عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن يتم توسيع نطاق التبادل التجاري، وتتمثل التحديات الثلاثة الأكثر إلحاحا في كفاءة تحويل الطاقة، والاستقرار التشغيلي، والقدرة على التصعيد.

القيود على الكفاءة

وتُبلغ أعلى مستويات كفاءة تحويل الطاقة في إطار الأوبليونز المفرد تحت المستوى القياسي AM1.5G، عن 19 إلى 20 في المائة تقريباً، مقارنة بما يزيد على 26 في المائة في السليكون البلوري و47 في المائة في خلايا الموصلات المتعددة المهام، وتشير النماذج النظرية إلى أن مستويات التصاميم ذات النطاق الترددي الواحد قد تحقق أقصى قدر من الكفاءة في ما يتراوح بين 25 و27 في المائة بسبب الحد الأقصى لحجم التصاميم

وتضيق الفجوة في الكفاءة مقارنة بالسليكون، ولكن نماذج OPV في الإنتاج التجاري لا تحقق عادة إلا 10 إلى 15 في المائة، مع حدوث خسائر كبيرة خلال التوسع من خلايا المختبرات الصغيرة إلى وحدات المناطق الكبيرة، ولا يزال تحسين توحيد الأفلام الرقيقة على المناطق الكبيرة وتقليل الخسائر في مقاومة السلسلة إلى أدنى حد مجالاً نشطاً من مجالات البحث.

الاستقرار التشغيلي والحياة

والمواد العضوية قابلة للتأثر في جوهرها بالتحلل من الأكسجين والرطوبة والإشعاع فوق البنفسج والإجهاد الحراري، ويمكن أن تفقد المركبات غير المكبّلة أداءها في غضون ساعات من التعرض لظروف المحيطة، مع استخدام الكبسولات المناسبة للأفلام الحاجزية التي تحجب الأكسجين والبخار المائي، أظهرت نماذج OPV التجارية عمرا تتراوح بين 5 و 10 سنوات، وهو ما يكفي لبعض التطبيقات ولكن أقل بكثير من الصناعة المعيارية.

The degradation mechanisms are complex and interconnected. Photo-oxidation breaks down the polymer backbone, while morphological changes in the bulk heterojunction reduce charge separation efficiency. Interfacial reactions between the active layer and the electrode materials can create barrier layers that impede charge extraction. Researchers are developing inherently stable molecular structures, encapsulation strategies, and tool structures to extend operational lifes beyond 15

القدرة على التصعيد والصناعات التحويلية

ويطرح ارتفاع عدد الخلايا المعملية ذات الزينة الشوكي، التي كثيرا ما تكون بضعة مليمترات مربعة في المنطقة، إلى وحدات مصنّعة من طراز " الدراجة " التي تُعمّم عدسات مساحتها المربعات تحديات هندسية كبيرة، ويُظهر الحفاظ على توحيد سميك الأفلام، والسيطرة على المورفولوجيا خلال الترسبات العالية السرعة، وكفالة إعادة الإنتاج في المناطق الكبيرة، وجود كثبان إنتاجية عالية، ولكن ما زالت تظهر بوعودا في شكلا في إنتاجية في إنتاجية.

الإمداد بالمواد والاستدامة

ويعتمد الكثير من المواد ذات الأداء العالي على العناصر الشحيحة أو السامة، وإن كان أقل من بعض تكنولوجيات النخيل الرقيقة مثل التلويث الكدميومي، كما أن أكسيد القصدير، والمواد الكهربائية الشفافة القياسية، تحتوي على مادة الديوم، التي هي نادرة نسبياً وتخضع لتقلبات الأسعار، ويطور الباحثون بدائل مثل النسيج الفضي، وأجهزة الإبطال النانووبية الكربونية، وأجهزة البوليمير الصنع المسيّة التي تحل محلّة.

باحثون من الجبهة التقدمية

ويواصل مجتمع البحوث التابع للشركة دفع الحدود عبر جبهات متعددة من كيمياء المواد إلى الفيزياء الآداب إلى علم التصنيع.

غير المندوبين

وقد كان تطوير المقبّلين غير الوافدين هو أكثر التطورات تحولا في بحوث OPV خلال العقد الماضي، وخلافا للمقبّلين الذين يعملون على أساس التفرغ، الذين لديهم استيعاب محدود في الطيف المرئي، وقلة الاستقرار المورفيولوجي، فإن المقبّلين غير المتسامحين مثل Y6 ومشتقاتها توفر استيعابا قويا، ومستويات طاقة لا يمكن تحصينها، وممتلكات التعبئة العليا التي تشمل Y6 وما يتصل بها من أشكال.

هياكل محفوظات للدبابات والعصيان

وقد يُضفي على مركبتين فرعيتين أو أكثر من مطياف الاستيعاب التكميلي للحد من خسائر الترميز وزيادة الفولط الكلي، ويُقترح أن تكون الخلية الأمامية ذات النطاق العتيدي (الضوء الأزرق والأخضر) التي تُعدّ نموذجاً للتصميم، والتي تُعدّ طبقات كهربائية ضيقة النطاق (تُحدّد مستويات الارتداد والضوء شبه المميت).

تكنولوجيا الكفاءات والحواجز

Extending OPV lifetime requires encapsulation that prevents ingress of oxygen and water vapor. Traditional glass encapsulation provides excellent barrier properties but negates the flexibility advantage of OPVs. Flexible barrier films using alternating layers of inorganic oxides and organic polymers can achieve water vapor transmission rates below 10^-4[FT:

تقنيات التصنيع الرئيسية

ويتطلب الانتقال من التكتل المخبري إلى الترسب الصناعي أساليب قوية عالية المخرجات، كما أن التغليف بالأشعة العتيقة هو حاليا أكثر التقنيات دراسة على نطاق واسع فيما يتعلق بصناعة OPV لأنه يوفر مراقبة جيدة، واستخداما كبيرا للمواد، والتوافق مع عملية التحويل إلى المركب، كما يجري استكشاف البرامترات الجاهزة، وطباعة الجراثيم، والرش، التي تتيح نُهجا مختلفة للتصنيع الأمثل للتصميم.

تعليم الآلات والتحسين العالي

فالحيز الكيميائي للموصلات العضوية شبه الموصلية واسع النطاق، حيث توجد ملايين الهياكل الجزيئية المحتملة، ويمكن أن تُظهر نماذج التعلم الآتي مدربة على البيانات التجريبية والمحاكاة على وجه السرعة خصائص مثل مستويات الطاقة، ومطياف الامتصاص، وتنقلات الحركة، وتوجيه الجهود التجريبية نحو أكثر المرشحين واعدة، وقد تُمكِّن برامج التوليف والتصنيف الآلية من إجراء فحص للخيص العالي، مما أدى إلى التعجيل بشكل كبير باكتشاف المواد الجديدة من جانب مجموعات البحوث من مؤسسات جامعة شيكاغو.

التطبيقات والسوق

وتفتح الممتلكات الفريدة من نوعها للمناورات المكلورة بالنفط المكلورة حيث تكون الأفرقة التقليدية للسيليكون غير مناسبة، إما بسبب الوزن أو الجمود أو المظهر أو القيود على التكاليف، وفي حين أن من غير المحتمل أن تُنزع من المنافذ الفوقية في منشآت المرافق الكبيرة الحجم في الأجل القريب، فإنها تحتل مكاناً متزايداً في تكامل البناء والإلكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات المتخصصة.

المطوّرات الفوتوغرافية المتكاملة

يمكن إبطال مفعول المضخات على الأسطوانات السطحية، أو دمجها في أكاديم الزجاج، أو طبعها على المنسوجات المعمارية، وقد مول برنامج Horizon 2020 التابع للمفوضية الأوروبية عدة مظاهرات واسعة النطاق لأورام البناء المتكاملة التي تحتوي على مظروف بناء مدمجة، مما يدل على أن هذه النظم يمكن أن تولد كميات كبيرة من الكهرباء بينما تحتفظ بنوعية صناعية.

داخل و إنترنت الأشياء

إن جمع الضوء داخل المباني هو أحد أكثر التطبيقات شبه المجدية تجارياً للمصابيح العضوية، ويمكن استخدام الخلايا العضوية على النحو الأمثل لمضاهاة طيف الإضاءة الاصطناعية، وتحقيق الكفاءة التي تزيد على 20 في المائة تحت التضليل الفلوري أو التلقيح المميت، مما يجعلها مثالية لأجهزة الاستشعار اللاسلكية الكهربية، وأجهزة الترميز الإلكترونية، وغيرها من أجهزة الفولطيف الخفيف، مما يزيل بالفعل الحاجة إلى استبدال البطاريترات.

الإلكترونيات المحمولة والضعيفة

ومرونة ووزن منخفض للمناورات العضوية تجعلهم مرشحين طبيعيين للاندماج في الملابس، والحقائب الظهر، والشحنات المحمولة.() ويمكن أن يشحن وحدة مرنة من طراز OPV في سترة هاتفاً ذكياً أثناء الأنشطة الخارجية، في حين يمكن لفريق عامل متجدد للوزن أن يوفر قدرة طارئة على التخييم أو الإغاثة في حالات الكوارث، وقد أعرب الجيش عن اهتمامه بأجهزة كهربائية محمولة ومجسّسات في العمليات الميدانية، حيث يُعدّلُ ذلك.

التطبيقات الزراعية والبيئية

وقد أدى الباحثون إلى ارتفاع عدد المحاصيل التي تُستخدم في مواقع مشتركة بين الألواح الشمسية والمحاصيل(6212)؛ والفوائد من محركات OPV لأن نصفها يتيح بعض الضوء يمر دونه، مما يتيح نمو النباتات، وقد أظهروا أن بعض المحاصيل تنمو بشكل جيد تحت طوافات أو مجهزة بموجات مائية محددة، بينما تنقل مواصفات أخرى إلى الكهرباء.

المركبات الكهربائية والطائرات العمودية

وتستكشف صناعة السيارات محركات المركبات من أجل إدماجها في أسطح المركبات، وأقسامها، وألواح الجسم لتوفير قدرة مساعدة لمراقبة المناخ، ونظم الاحتواء، وشحن البطاريات، وفي حين أن الطاقة المتولدة هي 2812؛ وتمتد عشرات المركبات إلى مئات من الواتس، تبعاً لتطبيقات منطقة المركبات على سطح الطائرة(ب)(8212)؛ ويمكن أن تمتد نطاق الميزة الوجيهة في الظروف الحضرية.

الطريق: الاقتصاد والتسويق

وتتوقف مسارات تسويق المواد العضوية على استمرار التحسينات في الكفاءة والاستقرار وتكاليف التصنيع، وقد وسعت عدة شركات الإنتاج إلى مستويات تجارية تجريبية أو مبكرة، بما في ذلك شركة هيلياتيك في ألمانيا، وشركة لافينيتيم في الدانمرك، وتكنولوجيات نيكولا تسلا في المملكة المتحدة، حيث يستهدف هؤلاء المصنعون تطبيقات عمودية محددة بدلا من التنافس مباشرة مع شركة سيليكون في سوق تركيبات البرمجيات الخفيفة التي تصمم في شكل خلايا هيليسكو.

وتشير النماذج الاقتصادية إلى أن المشتغلات بالكهرباء تصبح قادرة على المنافسة عندما تنخفض تكلفة الكهرباء الموزعة إلى ما دون 0.10 دولار تقريبا إلى 0.15 دولار لكل كيلوواط ساعة في التطبيقات المدمجة في المباني، ويتطلب تحقيق ذلك تحقيق كفاءة الوحدات في حدود 12 في المائة، وعمرات تتجاوز 10 سنوات، وتكاليف التصنيع دون 0.30 دولار لكل واط، وتقترب الوحدات التجارية الحالية من هذه الأهداف ولكنها لم تحقق بعد كل الأهداف في نفس الوقت.

ويمكن أن تعجل الأطر السياساتية والتنظيمية باعتمادها، كما أن التعريفات الجمركية المتعلقة بالإيذاء، ومدونات البناء التي تتطلب توليداً في الموقع، وبرامج التصديق على البناء الأخضر التي تكافئ تكامل الطاقة المتجددة، تؤدي جميعها إلى سحب الأسواق بالنسبة لمنتجات النفط الخاملة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن توسيع نطاق قواعد مسؤولية المنتجين التي تتطلب خفض النفايات الإلكترونية قد يحفز على استخدام تكنولوجيات شمسية أقل سمية.

وقد تؤدي هذه المركبات، في المستقبل، دورا في التطبيقات الفضائية، حيث تكون قدرتها العالية على تحمل الإشعاع وتسامحها مع ارتفاعها، وقد اختبرت وكالة الفضاء الأوروبية نماذج من طراز OPV على محطة الفضاء الدولية، وتشير النتائج إلى استقرار واعد في ظل ظروف الفراغ والإشعاع في المدار الأرضي المنخفض.() ويمكن أن تقلل من تكاليف إطلاق السواتل الصغيرة وأن توفر الطاقة اللازمة للأجهزة الفضائية العميقة التي تكون فيها قيود الوزن شديدة.

خاتمة

وتشغل الفولطية الضوئية العضوية موقعا متميزا في مشهد الطاقة المتجددة، ولن تحل محل الألواح الشمسية السيليكونية في محطات توليد الطاقة الكبيرة، كما أنها لا ينبغي أن تكون كذلك، حيث أن المرونة والوزن الخفيف وشبه الشفافية والتصنيع المنخفض التكلفة هي مزايا حاسمة، حيث أن التقدم في العلوم المادية يمتد من فترات الحياة التشغيلية ويدفع الكفاءة نحو الحدود النظرية، فإن المواد الأفيونية تتأهل لخدمة الأسواق التي لا يمكن أن تعالجها.

وقد كان التقدم الذي أحرز في العقد الماضي، الذي كان مدفوعا إلى حد كبير بتطوير مقبلات غير حاملة وبهيكلات الأجهزة المحسنة، ملحوظا، ولا تزال هناك تحديات، ولا سيما في إظهار الموثوقية الطويلة الأجل وتحقيق التصنيع على نطاق واسع، ولكن المسار إيجابي بشكل واضح، ومن المرجح أن تجد الكائنات العضوية ذات الطاقة المتجددة مكانا لا بديلا للتكنولوجيا الشمسية القائمة بل تكنولوجيا تكميلية تساعد على التعجيل بجني الطاقة الشمسية في أشكال غير قابلة للتجديد.