وتُحدث خلايا شمسية شفافة ثورية في طريقة توليد الطاقة عن طريق الاندماج دون هوادة في النوافذ والسلاسل التعاقبية، وتتيح هذه التكنولوجيات المبتكرة إنتاج الطاقة المتجددة دون المساس بأجهزة التجميل أو الضوء الطبيعي، ومع تزايد عدد سكان المدن والطلب على حلول البناء المستدامة، فإن الشفافية في مجال التصوير الفوتوغرافي توفر نهجاً تحويراً لتحويل كل سطح من الحيز الزجاجي إلى مولد كهربائي.

ما هي خلايا الشمس المُتَعَرَّبة؟

كما أن الخلايا الشمسية الشفافة، المعروفة أيضاً باسم " الألواح الشمسية " أو الفولطائية شبه الشفافة، هي فئة من الأجهزة الفوتاتوغرافية التي تُعد وظيفياً وغير مرئية، وتحوّل ضوء الشمس إلى كهرباء، وتسمح في الوقت نفسه بمرور جزء كبير من الضوء المرئي، مما يجعلها مثالية للنوافذ، والضوءات، والأسور الخفيفة، ومواجهات الزجاجية الكاملة.

ويشتمل المبدأ الأساسي على امتصاص انتقائي للأشعة فوق البنفسجية (UV) والترددات شبه الحمراء، مع نقل الضوء المرئي، وتستخدم النماذج الأولية تكنولوجيات الرشاقة التي تستهدف الخلايا الشمسية المحتوية على الالتهاب الرئوي (DSSCs)، بينما تستخدم النهج الحديثة الجيل العضوي شبه الموصلات، والمنتجات المشبع بالفلور، ودرجة الأداء الكمية الأعلى.

وعلى عكس لوحات السطح التقليدية التي تتطلب أماكن مخصصة وهياكل متنامية، يمكن هيمنة خلايا شمسية شفافة مباشرة على مواضع ضوئية من الزجاج أو دمجها في وحدات ذات ازدواجية أو ثلاثية، وهذا التكامل يزيل الحاجة إلى استخدام إضافي للأراضي ويحول أكبر نوافذ للمبنى السطحي - إلى أصل موزع للطاقة، وحتى عام 2025، قامت عدة شركات بتسويق منتجات شبه شفافة، رغم أن هذه المنتجات تظل شفافة تماماً (غير قابلة للرؤية).

الابتكارات الأخيرة في مجال التكنولوجيا

وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، تسارعت البحوث التي أجريت في الخلايا الشمسية بشفافية بشكل كبير، مدفوعاً بانتكاسات في العلوم المادية وزيادة الطلب على المباني الصافية الصفرية، وفيما يلي أهم الفئات التكنولوجية التي تصدر عناوين رئيسية.

الفولطية العضوية

(ج) استخدام البوليمرات العضوية والجزئات الصغيرة التي تستخدمها الأجهزة العاملة، ويمكن تصميم هذه المواد على نحو كيميائي لاستيعاب مجموعات محددة من الطيف الشمسي، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الشفافة، وقد طور الباحثون في مؤسسات مثل مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) خلايا من طراز OPV-O-I-B-O-I-B-O-I-B-O-I-I-B-B-O-O-B-B-O-O-O-B-B-B-O-O-F-F-F-I-I-I-I-I-O-I-I-O-O-O-O-I-I-I-D-I-D-D-D-D-B-B-D-O-O-O-O-O-O-O-I-O-I-O-O-O-O-F-F-B-D-D-O-O-F-F-F-O-F-F-F-B-B-F-O-D-O-O-F

التركيز في الابتكارات الأخيرة على تصنيع المواد ذات الاستخدام الحرفي الكبير، مما يقلل تكاليف الإنتاج، فعلى سبيل المثال، ينتج فريق الإنشاء الألماني [(FLT:0)] هيلياتك أفلاماً ذات كفاءة عالية يمكن تطبيقها على الزجاج الحالي، وثمة تطور ملحوظ آخر يتمثل في استخدام مقبلات غير صانعة، وهو ما أدى إلى تعزيز استقرار وكفاءة استخدام الأجهزة المتفجرة المرتجلة (NFAs)

خلايا بيروفسكيت سولار

Perovskite solar cells (PSCs) have skyrocketed in efficiency from 3.8% in 2009 to over 26% in single-junction structures. For transparent applications, researchers engineer high perovskite layers -often just a few hundred nanometers fish - to allow light passage. Cesium-parskites and mixed halide compositions enable bandgap tuning for selective absorption. A 2023

ويكمن الانفراج الحقيقي في تشكيلات التكتل، إذ إن هذا النهج، بتجميع خلية من المزمار الشفاف على رأس خلية من السليكون أو الخلية السفلية من طراز CIGS، يمكن للمطورين أن يقطعوا في نفس الوقت الضوء فوق الطبقة العليا، ويعزز كفاءة النظام عموماً بما يتجاوز 29 في المائة، بينما تظل الخلية العليا شفافة.

Quantum Dot Technologies

النقطتين الكينتيمترية (QDs) هي بلورات شبه موصلية نانوية تتغير خصائصها البصرية مع الحجم، ويتيح هذا التوحيد مراقبة دقيقة على أي ممر موجي يتم استيعابه ونقله، وبالنسبة للخلايا الشمسية الشفافة، يمكن تصميم الـ QDs لالتقاط الضوء تحت الحمراء مع ترك الطيف المرئي شبه غير ممسوس.

ومن مزايا الـ ديوكس القدرة على خلق ألوان نابضة بالحياة دون المساس بمنتجات الطاقة، ومن خلال اختيار هياكل الكبريت ذات الكبريت (مثلاً، CdS/CdS أو PbS)، يمكن للمصنعين إنتاج نوافذ تبدو كزجاج ملوث بالزجاج التقليدي بينما تولد الكهرباء، ويجري حالياً تطوير طباعة من نوع " QD-Fox " ، مما يبشر بصناعة المعادن ذات التكلفة المنخفضة.

أوجه التكامل الشمسي عبر الشفاف

ويتيح اعتماد خلايا شمسية شفافة في مظروف البناء مجموعة واسعة من الفوائد التي تتجاوز توليد الطاقة البسيط.

كفاءة الطاقة وإمكانيات الطاقة

وتستأثر المباني بنحو 40 في المائة من استهلاك الطاقة العالمي، إذ تغطي النوافذ والسلاسل التعاقبية ذات الفولطية الضوئية الشفافة، يمكن أن يعوض هيكلها جزءا كبيرا من الطلب على الكهرباء، وتشير عمليات المحاكاة التي يقوم بها مركز البحوث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية إلى أن مبنى في منتصف الأزمة يضم 40 في المائة من التغطية بالزجاج في الجنوب والغرب يمكن أن يولد طاقة كافية لتغطية 30 في المائة من احتياجاته السنوية من الطاقة.

المرونة المعمارية والجمالية

(ب) لا يمكن صنع خلايا شمسية تقليدية [مفتوحة] في شكل سائل، بل تصطدم في كثير من الأحيان بالتصميم المعماري.

التنمية المستدامة والحد من مخططات الكربون

ومن خلال توليد الكهرباء النظيفة في الموقع، تؤدي الشفافية الشمسية إلى الحد من الاعتماد على الطاقة الكهربائية لشبكة الوقود الأحفوري، مما يؤدي إلى خفض أثر الكربون التشغيلي للمبنى بصورة مباشرة، كما تدعم التكنولوجيا مبادئ الاقتصاد الدائري عندما تصمم مع مواد قابلة لإعادة التدوير، وعلاوة على ذلك، يمكن للنوافذ التي تنتج الطاقة أن تسهم في نقاط البناء نحو منح شهادات مثل نظام ليدز، وBREEAM، وبيت مربو، حيث تسعى المدن إلى إزالة الكربون، يصبح الزجاج الشمسي الشفاف تكنولوجيا تمكينية رئيسية من أجل جمع الأراضي في المناطق الحضرية دون الحصول على مزيد من الأراضي.

الإدارة الحرارية والحد من غلاير

وبعض التكنولوجيات الشمسية الشفافة، ولا سيما تلك التي تستخدم البروفسكي أو المبردات ذات الحرارة التي تسبب التسخين الداخلي، والتي تؤدي إلى الحد من مكاسب الحرارة الشمسية من خلال النوافذ، مما يقلل من الحمولة على نظم تكييف الهواء، مع وجود طلاءات منخفضة، يمكن أن يؤدي الزجاج الشمسي الشفاف إلى تحسين الأداء الحراري العام لأجهزة التخدير المحتوية على مواد مسببة للارتداد.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من الوعد، يجب التغلب على عدة عقبات تقنية واقتصادية قبل أن تصبح الخلايا الشمسية الشفافة صالحة للشرب.

التجارة الكفؤة

ولا تزال المبادلات الأساسية بين الشفافية والكفاءة هي أكبر عقبة، فكل نقطة مئوية من الانتقال الخفيف المرئي الإضافي تعني أن الضوء أقل من ذلك يستوعب توليد الكهرباء، وتتحقق الخلايا الشمسية الشفافة الحالية من الكفاءة في نطاق يتراوح بين 1 و12 في المائة، مقارنة بنسبة 20 إلى 22 في المائة بالنسبة لأفضل لوحات الوصل الأحادي المستوى، ولجعل الباحثين شفافة من الناحية الاقتصادية يستهدفون ما لا يقل عن 15 في المائة من منتجات التحلل الحراري التي لا تستهدفها باستمرار.

تكاليف التصنيع وقابلية التصعيد

وكثيرا ما يتطلب إنتاج خلايا شمسية شفافة مواد وعمليات متخصصة أكثر تكلفة من التصنيع الزجاجي التقليدي، مثلا، فإن الترسيب المكنسي لطبقات البروفسكيت أو توليف النقاط الكمي العالية الجودة يضيف تكلفة، وفي حين أن OPV يمكن أن يكون متجددا، فإن كفاءته وعمره لا يزالان أدنى من السيليكون، وحتى يتم تحسين غلة التصنيع وتخفض التكاليف المادية من خلال وفورات الحجم، فإن أقساط الإنتاج التراكمي لعام 2020 ستظل أقل.

مدة الخدمة وطول المدة

ويجب أن تستمر المنتجات الشمسية المدمجة من 25 إلى 30 سنة من التعرض لمبالغ الحرارة القصوى، والرطوبة، والإشعاع فوق البنفسج، والإجهاد الميكانيكي (مثلاً، حمولات الرياح، والتدوير الحراري)، ولا يزال العديد من المواد الشمسية - المهتزنة على نحو خاص، وشبه الموصلات العضوية - تتحلل بسرعة أكبر من السائل المسيّل، ولا تزال استراتيجيات التجهيز باستخدام أفلام الحاجز أو منتجات البناء المزدوجة(12) تضيف تكلفة.

المسائل التنظيمية والتوحيدية

ونظرا لأن الخلايا الشمسية الشفافة هي فئة منتجات جديدة نسبيا، فإن مدونات البناء ومعايير السلامة الكهربائية لا تزال آخذة في التطور، ففي العديد من الولايات القضائية، يجب أن يفي الزجاج المزود بالبلازما الهيكلية (مثلا لمقاومة التأثير والإجهاد الحراري) وأنظمة السلامة الكهربائية (مثلا، بالنسبة لمخاطر الحرائق وحماية القوس) ويخلق عدم اليقين لدى الصانعين ويبطئ اعتماد المنظمات العاملة بمنطقة المحيط الهادئ.

الاتجاهات المستقبلية واتجاهات البحوث

وسيشهد العقد المقبل جهودا بحثية متضافرة تهدف إلى التغلب على القيود المذكورة أعلاه، ويجري حاليا استكشاف عدة سبل واعدة.

الهندسة المختلطـة والمتعددة

ويمكن أن يؤدي الجمع بين مختلف المواد التي تم استيعابها في تشكيلات الترادف أو التقاطعات المتعددة إلى تعزيز الكفاءة عموما مع الحفاظ على الشفافية الجيدة، وعلى سبيل المثال، فإن تركيب خلية واسعة النطاق من البروفسكي على رأس مجموعة ضيقة من المواد العضوية أو الخلايا المتعددة المؤشرات يمكن أن يُجمع طيف أوسع من ذلك.() وقد أثبت الباحثون في KAUST() وجود أربعة في المائة من عمليات الحرق

مراكز الطاقة الشمسية اللومنسية

أما السائل المنوي فهو بديل للفولطيات الضوئية النحيلة، وهي تتألف من لوحة شفافة (زجاج أو أكريكية) مغلفة بقطعة مائلة أو نقط كمية، ولا تزال الجزيئات التي تلتقط الضوء وتعيد تشغيله في شكل موجة أطول، ثم تُوجَّه عبر انعكاس داخلي كامل إلى خلية صغيرة غير مُصوَّبة في حافة اللوحة.

نوافذ شمسية وصارعة قابلة للتبادل

ويمكن أن يؤدي دمج هذه الخلية الكهربائية أو الديموغرافية الحرارية في خلايا شمسية شفافة إلى إيجاد نوافذ يمكن أن تكيف دينامياً مع توليد الطاقة الكهربائية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تصبح خلية من الزئبق المسبب للارتحال أكثر شفافية في الأيام الساخنة للحد من المكاسب الحرارية، مع التحول إلى نمط ملوث بالطاقة الكهربائية ومرتفع خلال ساعات التبريد.

تقنيات التصنيع المتقدمة

ولخفض التكاليف، يقوم الباحثون بتطوير تقنيات المعالجة القائمة على الحلول التي يمكن توسيع نطاقها لتشمل مناطق كبيرة، ويجري صقل المعاطف السائلة، والرش، وطباعة القاحلة، لتصوير الصبغة OPV و perovskite.

التصميمات المُلهمة بيولوجياً وطبيعة

وتوفر الطبيعة مخططات لإدارة الضوء، وتظهر بعض مقاييس الخنفساء وأجنحة الفراشات هياكل ضوئية تولد لونها المذهلة دون أن تستوعب الضوء المرئي كثيراً، ويستكشف الباحثون أسطحاً ذات بنية نانوية تُقلم هذه الهياكل لتعزيز التصفح الضوئي في الغلاف الجوي والشمالي دون التأثير على الشفافية، ويمكن لهذه الصور المزودة بالأجهزة الضوئية أن ترفع الحد الأقصى للكفاءة للخلايا الشمسية الشفافة دون إضافة طبقات.

خاتمة

وتمثل الخلايا الشمسية الشفافة تحولاً في النموذج الذي نفكر فيه في بناء نظم الطاقة، إذ إن هذه التكنولوجيات، بتحويل النوافذ والسلاسل إلى مولدات للطاقة النشطة، تُفتح إمكانيات غير مسبوقة لتوليد الطاقة المتجددة الموزعة في بيئات حضرية كثيفة، وفي حين أن المنتجات الحالية لا تزال تواجه تحديات تتعلق بالكفاءة والتكاليف والقدرة على الاستمرار، فإن وتيرة الابتكار توحي بأن هناك نضجاً سريعاً، مع استمرار الاستثمار في بحوث المواد، والتصنيع المكثف، واختبارات البنيانات القياسية الشفافة.