مقدمة

وقد أصبحت الطاقة الشمسية واحدة من أسرع مصادر الطاقة المتجددة نموا، التي تدفعها دفعة عالمية لتطهير توليد الكهرباء، وفي حين أن الألواح الشمسية البلاستيكية تهيمن على السوق التي تتجاوز فيها الكفاءة 22 في المائة، كما أن هيكلها الصلب وارتفاع تكاليف الطاقة التحويلية لا يزالان يحدان من الانتشار في بعض التطبيقات.

ما هو الفوتولفات العضوية؟

وأجهزة نقل ذات طابع عضوي، وأجهزة نقل ذاتي، وأجهزة نقل ذات طابع بلاستيكي، وأجهزة نقل ذات طابع كيميائي، وأجهزة نقل ذات طابع بلاستيكي، وأجهزة نقل ذات طابع كهربي حر، وأجهزة نقل ذات طابع بلاستيكي ذات طابع غير عضوي، وأجهزة نقل ذات طابع بلاستيكي ذات طابع كيميائي أقل، وأجهزة متجانسة ذاتية (مزودة بأجهزة للكولونات)

ويكمن التمييز الرئيسي في الممتلكات المادية للسيليكون، إذ أن شبه الموصلات العضوية لديها معامل امتصاص عالية، مما يعني أنها لا تستطيع استيعاب الضوء في الأفلام إلا بضع مئات من الناموسومات السميكة - أي أقل بمقدار 100 مرة من وورشة النسيج المعتادة، وهذا النقاف يتيح المرونة وشبه الشفافية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن توليف الجزيئات العضوية لا يتطلب عمليات تصنيع عالية التقلبات.

How OPVs Work: The Physics of Organic Solar Cells

وتشتمل إزالة ضوء الشمس إلى الكهرباء في مركب مركب مركب مائي متعدد الأبعاد، أولا، تستوعب الطبقات العضوية العاملة الصور، وتروج للكهرباء من أعلى مدار جزائي محتل إلى أدنى مستوى من الهواء الطلق غير المشغل، وتخلق برزا متصلا به، لأن المواد العضوية لها ثابتات منخفضة في الديكليات (نحو 3 إلى 4)، وهو الجذب الرئوي بين فتحة الكهربائية الملزمة.

والحل هو خلق تحول بين نصف موصلين عضويين: متبرع إلكترون ومستقبل إلكترون، وعندما تصل إحدى الشاحنات المتولدة في المانح إلى واجهة بين المانحين والمقبلين، فإن مضاهاة الطاقة (الاختلاف في مستويات حركة النقل غير المنظم) توفر قوة قيادة لفصل الاكسيتون ونقل الكهرباء إلى المقبّل، وهذه العملية التي تسمى نقل رسوم ملتقطة بالصور، يجب أن تتم في وقت واحد.

إن مورفولوجيا الطبقات النشطة - المزيج النانوي للمانحين والمقبلين - أمر حاسم، حيث يختلط المانحون والمقبلون معا، تضاعف من مساحة الوصلات البينية وتوفر في الوقت نفسه مسارات مستمرة للكهرباء والثقوب للوصول إلى الكهروديس، ويحقق الباحثون هذا الارتداد من خلال اختيار المواد، والمذيبات المعالجة، والحرق الحراري، والمضافات.

المواد الرئيسية في التصوير الفوتوليكي العضوي

المواد المانحة

وكانت الجهات المانحة الأولى من الفئة الفنية تُحتَج ببوليمرات مثل البولي (3-hexylthiophene) (P3HT)، التي تستوعب أساساً منطقة الخضروات الزرقاء وتحقق كفاءة متواضعة، وخلال العقد الماضي، تطورت الجهات المانحة لتشمل البوليمرات المنخفضة النطاق والجزائز الصغيرة التي تمتد إلى المواد شبه المُدرجة في إطار التلقيم المضغوط.

المواد المقبولة

وقد نتجت أكبر قفزة في أداء OPV من التحول من المتقبلين الأوفر (مثل PCBM) إلى المقبّلين غير النادرين (NFAs) حيث بلغت نسبة الناجين الذين حصلوا على قدر كبير من الحركة الكهربائية، ولكنهم ضعفاء في الطيف المرئي، حيث بلغت نسبة الجزأين من الـ (OFiI) مثل (IC) و(Y6) الجزائج التي تم تغذيتها بقوة في حدود ما يقرب من الفئتين(19).

المرشدون الدوليون والمتنقلون

وتُستخدم المواد مثل أكسيد الزنك (ZnO)، وبوليفور (3,4-ethylenedioxythiophene) وبوليستيرين (PEDOT:PSS)، وMO3 عادة كطبقات نقل للكهرباء أو الحفر، وتكفل هذه الطبقات الاتصالات الأوقيانوغرافية، وتمنع إعادة تجميع الشحنات غير المرغوب فيها، وتحسن استقرار الأجهزة.

المزايا التي تنطوي عليها المواد الفوتوغرافية العضوية

المرونة والوزن الخفيف

ونظراً لأن طبقات OPV يمكن إيداعها على البلاستيك أو الأعلاف المعدنية أو الورقية تحت درجات حرارة منخفضة (بدون 150 درجة مئوية)، فإن الأجهزة الناتجة عن ذلك مرنة للغاية ووزن خفيف - أقل من 1 كيلوغرام لكل متر مربع في بعض الحالات، مما يتيح الاندماج في أسطح محمية، وشحنات محمولة، وأسطح السيارات، بل وحتى النسيج لجني الطاقة القابلة للارتداء.

الصناعة المنخفضة النشاط

ويستخدم التلفزيون المغنطيسي العمليات القائمة على الحل - مثل التغليف بالزمن، وتلقيح الأطباء، ورش الطلاء، وطباعة القاحلة، والطباعة من طراز " د " إلى " ، التي تعمل بضغط كميناء ودرجات حرارة متوسطة، وهذا يتناقض تماما مع الترسبات العالية التفرغ، والارتفاع في الحرارة المطلوبة للسيليكون والخلاياب غير العضوية.

Semitransparency and Color Tunability

ويمكن جعل طبقات التشغيل المأخوذة من الفلول المحتوي على الفلول المحتوية على أشعة مقطعية شبه شفافة باختيار مواد تستوعب معظمها في شبه الحمراء، مما يتيح إمكانية مرور الضوء المرئي، وهذه الممتلكات مثالية للتصوير الفلكي المدمج - النوافذ، والمصابيح الشمسية، والسلاسل التعاقبية التي تولد الكهرباء مع الحفاظ على ضوء النهار.

المنافع البيئية

وتتكون المواد العضوية أساسا من الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين ويمكن تركيبها من المواد الوسيطة المتجددة في بعض الحالات، وفي حين أن المواد العضوية العضوية الحالية لا تزال تستخدم أكسيد القصدير في الأيديوم كهروود كهربي شفاف - إن الأيديوم نادر وسامة - فإن الباحثين يطورون بدائل مثل النانوويات الفضية، وأجهزة النسيج الكربونية، وأجهزة إعادة إنتاج الغرافيا.

التحديات الراهنة التي تواجه الفيزياء العضوية

كفاءة تحويل السلطة

ورغم التقدم السريع، لا تزال كفاءة قياسية للمصابين بالأشعة فوق البنفسجية (19 في المائة) أقل من أفضل النسيق (26.8 في المائة للخصائص الأحادية) والخلايا الشمسية المشبع (26 في المائة) وفي الوحدات العملية، تنخفض الكفاءة إلى 12-15 في المائة بسبب الخسائر، أما التطبيقات التي تتطلب قدرة عالية على تحديد المناطق (مثلا، المصانع ذات الوزن المنخفض) فهي حاليا مرنة.

الاستقرار والطول

أما المواد العضوية التي تتدهور تحت التضليل المستمر، لا سيما في وجود الأكسجين والرطوبة، فقد يظل التأكسد الضوئي للطبقات النشطة، ونقل الكهروود المعدنية، والتغييرات الوبائية في التهوية السائبة، كلها تقلل عمر الجهاز، وفي حين أن المزودات العضوية المجهزة يمكن أن تصمد الآن آلاف الساعات في الاختبارات المعجلة )بروتوكولات المتعلقة بنظام المعلومات المسبقة عن المواد الكيميائية(، فإن العمر التشغيلي يتراوح بين ١٠ و ٢٠ سنة، وهو ما هو ما هو نموذجي من تحدي.

لارج آريا

فالصناعة التحويلية من البداية إلى النتائج سريعة، ولكن إنتاج أفلام موحدة خالية من العيوب على المناطق الكبيرة أمر صعب، فالثقوب، وتغيرات السميكة المغطى بالطلاء، والاختناق من الخشنات، يمكن أن تسبب شظايا وعامل لملء منخفض، وبالنسبة للوحدات التي تحتوي على 100 سم2، كثيرا ما تنخفض كفاءة تحويل الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة مقارنة بخلاياكل المناطق الصغيرة، وتخفض تقنيات التصفيق التصفيات التكلور (مثل) إلى أدنى حد.

Indium Tin Oxide dependency

وتستخدم معظم المشتغلات بالمهندسات العضوية ITO ككهرباء الجبهة الشفافة، فالإنديوم مورد شحوم ذي سمية عالية التكلفة وبيئية، كما أن ردع المنظمة الدولية للأخشاب المدارية بموصلات شفافة قائمة على الكربون أو شبكات معدنية هو مجال بحثي نشط، وقد أظهرت الكهروود النانويرية الفضية وعدا، ولكنها تعاني من التآكل ومن مقاومة عالية للسيارات.

عمليات التصنيع: من المختبر إلى الفاب

ويستلزم تحويل مضخة متطورة من المختبر إلى الإنتاج التجاري تصنيعاً قابلاً للتقسيم عالياً، وأكثر النهج نضجاً هو التصفيق بين العصور المتطاولة (R2R) على رغاوي متعددة البوليمر المرنة (مثلاً، فإن نموذجاً متعدد البيوت الإيثيلين (PET) أو مناديل متعددة الإيثيلين (PEN) في R2R، يُظهر المعاطف دون كل منها باستمرار

كما أن أساليب الطباعة مثل الرعي والدقيق والطباعة في القبر تسمح بتنمط دقيق، مما يتيح اختلاق وحدات شمسية شفافة مع أنماط مضنية للتكامل في البناء، كما وضعت أفرقة بحث مستقلة أساليب لإيداع مصفوفات الهواء الطلق على الورق والمنسوجات، وفتح سبل للتغليف الذكي والإلكترونيات القابلة للارتداء.

ومن الميزات الرئيسية لصناعة OPV الطاقة المنخفضة المجسدة، ويخلص تقييم من المهد إلى أن وحدات OPV تحتاج إلى نحو 5-10 في المائة من الطاقة الأولية اللازمة لإنتاج لوحات السيليكون، وهذا يترجم، بالنسبة للعديد من التطبيقات، إلى فترة انتعاش الكربون تقل عن سنة.

الطلبات وقضايا الاستخدام الناشئة

المطوّرات الفولطية المدمجة للمبنى (BIPV)

إن شبه الشفافية واللون ومرونة الوزن الخفيف تجعلها مثالية للنوافذ، وحائط الستائر، والأتريا، وتنتج شركات مثل هيليتك (ألمانيا) أفلاما مرنة من طراز OPV يمكن تدفئةها على سطح المباني القائمة دون تعزيز هيكلي، وفي حين أن BIPV ما زال يشكل جزءا صغيرا من السوق الشمسية، فإنه ينمو بسرعة، ولا سيما في أوروبا حيث تضيق معايير أداء الطاقة للمباني.

الإلكترونيات المحمولة وغير المزروعة

ويمكن إدماج وحدات OPV ذات الوزن الخفيف في حقائب الظهر والخيام والثبات ومعدات التخييم لشحن الهواتف والأقراص والأضواء، وبالنسبة للترويح الخارجي، توفر طائرات OPVs وسيلة لتوليد الطاقة بدون لوحات السيليكون الثقيلة، وفي السياقات الإنسانية، يمكن غرق الطائرات المروحية المتجددة لتوفير الطاقة الطارئة للأجهزة الطبية والاتصالات في مناطق الكوارث.

الزراعة (الفولطية الزراعية)

ويمكن نشر أفلام أوفلام أوفليمية شبه شفافة على الدفيئات أو الحقول الزراعية، مما يتيح لجزء من ضوء الشمس أن يمر من أجل نمو النباتات بينما يولد الكهرباء، ولأنه يمكن للمنشور أن يستوعب في المقام الأول في ما يقرب من تحت الحمراء (وهي أقل فعالية بالنسبة للصور التوليزية)، يمكن تصميمها لنقل الإشعاع الناشط الاصطناعي في الوقت الذي تجني فيه الطاقة، وقد أظهرت الدراسات المبكرة أن درجة حرارة الأوب النفطي فوق المحاصيل يمكن أن تؤدي إلى زيادة كبيرة في المياه.

تطبيقات داخلية وقائمة على استخدام الحاسوب

ويمكن استخدام مضخات مضخة للفيروسات العضوية على النحو الأمثل لصيد الضوء داخل المباني (الفلورسنت أو LED)، حيث تفوق بالفعل خلايا السيليكون في الكفاءة لأن المواد العضوية تضاهي الطيف الداخلي بشكل أفضل، مما يجعلها مثالية لتوليد أجهزة الاستشعار بالشبكة، والعلامات الذكية، وأجهزة الرصد عن بعد، فمع نمو المباني الذكية والتوائم الرقمية، يمكن للمستشعرات العاملة بالبليوني أن تزيل الحاجة إلى استبدال البطاريات في عشر.

مثال التنفيذ: القابلات للذوات

وقد وضع باحثون في جامعة كامبريدج ألياف أوفليمائية يمكن ارتداؤها في النسيج، مع وجود بطاريات ذات رفوف رقيقة، يمكن أن تولد سترة ما يكفي من الطاقة لتشغيل جهاز تتبع للهواتف الذكية أو النظام العالمي لتحديد المواقع خلال يوم من النشاط الخارجي، وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة لا تزال في المرحلة الأولية، فإنها يمكن أن تصبح تجارية في غضون خمس سنوات.

آخر انجازات البحوث

وقد شهد ميدان OPV تقدما ملحوظا في السنوات الخمس الماضية فقط، وفي عام 2019، مكّن المقبّل من 6 سنوات من استخدام مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياسي قدره 15.7 في المائة (Zou et al.) وبحلول عام 2021، بلغت الكفاءة في التسجيل 18.2 في المائة (Cui et al., 2021)، وفي عام 2023، أبلغت الأفرقة المستقلة عن 19.3 في المائة خلايا ذات كفاءة ذات صلة واحدة باستخدام مقبلة جديدة تسمى L8-BREPV.

كما أن التحسينات في القابلية للتأثر ملحوظة، إذ حافظت وحدات OPV المجهزة على أساس نظام PM6:Y6 على نسبة 80 في المائة من الأداء الأولي بعد 10 آلاف ساعة من التضليل المستمر من 1 إلى 4 سنوات من التعرض للفيديو في المناخات المتوسطة، كما أن استراتيجيات جديدة لقمع التكسين الضوئي، مثل إضافة كتلات الأوكسجين الوحيدة ومرشحات الإجهاد فوق البنفسجي، قد مددت نطاقها.

وعلى جبهة التصنيع، برهن الباحثون في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، على أن وحدات OPV المطبوعة كاملة من طراز " LE-L-L-F " على مصانع مرنة تبلغ 12.2 في المائة، باستخدام مذيبات غير متجانسة - خطوة نحو الإنتاج المحمي بيئيا، بالإضافة إلى تطوير أجهزة خالية من الحرف ITO تستخدم كهرباء النانوير الفضية، بالإضافة إلى عناصر البوليمر الشحيحة(10).

التوقعات السوقية والتجارية

وفي حين أن المناقصات العضوية تمثل حاليا أقل من 0.1 في المائة من السوق العالمية للفولطام الضوئي، فإن عدة شركات ناشئة وشركات ثابتة تحشد الإنتاج، وتنتج هيلياتك (ألمانيا) أفلاماً من طراز OPV لبناء واجهات ودفئات، وتطالب بجائزة كربونية تبلغ نحو 10 في المائة من الوحدات، وتزيد حصة الوكالة من المواد العضوية الثابتة عن 20 في المائة من رسوم المنتجات الاستهلاكية القابلة للتداول.

ويمكن أن تؤدي تخفيضات التكاليف إلى طباعة عالية السرعة، ومحطات فرعية منخفضة التكلفة، وهياكل أجهزة مبسطة، وإذا أمكن إنتاج وحدات OPV بمبلغ ٠٢,٠ دولار - ٠٥/٠ دولارا/ساعة )مقارنة بواقع ٠١,٠ دولار - ٠٣/٠ دولارا/ساعة للسيليكون(، فإن معاملها الفريد ووزنها المنخفض سيمكن من تطبيقات لا يمكن للسيليكون أن يتنافس فيها، على سبيل المثال، استبدال البطارية في وحدة مجهزة اللاسلكية بتكلفة ٠٢,٠ دولارا

غير أنه يجب على شركة OPVs أن تتغلب على تصور أنها " منخفضة الكفاءة " و " غير مستقرة " ، ومن المتوقع أن تؤدي التحسينات المستمرة في المواد والتعبئة وتصميم الوحدات إلى سد فجوة الأداء، كما أن الحوافز الحكومية لبناء مصادر متجددة متكاملة والطلب المتزايد على الطاقة الشمسية المرنة في الأجهزة الالكترونية الاستهلاكية ستزيد من التعجيل بالتبني.

خاتمة

فالفولطيات الضوئية العضوية هي تكنولوجيا شمسية سريعة التطور، ويمكن أن تكمل - وفي بعض التطبيقات - لوحات السيليكون التقليدية - وتتحول خصائصها الفريدة من المرونة، وتدني الوزن، وشبه الشفافية، والصناعة التحويلية المنخفضة التكلفة، وتفتح أسواقا جديدة مثل بناء الطاقة المتكاملة، والالكترونيات المحمولة، والأجهزة القابلة للارتداء، والأفلام الزراعية، وأجهزة الاستشعار التي تعمل بالأشعة دون الحمراء.