الابتكارات في الوزن الخفيف، الطاقة الشمسية المرنة تكنولوجيا الخلايا المقبوضات

وقد تسارع سباق تطوير أجهزة ذاتية الدفع حقا في السنوات الأخيرة، حيث ظهرت خلايا شمسية خفيفة ومرنة كتقنية حجر الأساس، ولم تعد هذه المواد الفولتاتية تقتصر على لوحات زجاجية صلبة؛ ويمكن الآن أن تكون مخففة، بل وممتدة، وتفتح إمكانيات جديدة لإدماج جني الطاقة مباشرة في الملابس، والبقع الطبية، والوصلات اليومية.

ما هي الخلايا الشمسية المرنة؟

الخلايا الشمسية المرنة هي أجهزة فولتية خفيفة ذات طلقات خفيفة يمكن أن تتوافق مع السطح الممنوع أو غير النظامي بدون كسر، خلافاً للوحات السيلكون الكريستالية التقليدية، التي هي خلايا رشوة وثقيلة ومرنة مبنية على مواضع فرعية مثل البلاستيك أو الفلفل المعدني أو النسيج، هذا الامتثال الميكانيكي يسمح بدمجها في المنسوجات، أو حتى على الرواسب العضوية.

وهذه الخلايا لا تقيس عادة إلا بضعة ميكرومات في سميكها، مما يجعلها أوامر باهظة من الألواح التقليدية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكون خلية البروفسكي المرنة أقل من 10 غرامات لكل متر مربع، مقارنة بحوالي 15 إلى 20 كيلوغراما لكل متر مربع بالنسبة لنموذج زجاجي قياسي، وهذا الانخفاض في الوزن أمر حاسم بالنسبة للتطبيقات القابلة للارتداء حيث يهم كل غرام.

الابتكارات التكنولوجية الحديثة

وقد تكثفت البحوث في الخلايا الشمسية المرنة، حيث حققت المختبرات في جميع أنحاء العالم سجلات جديدة في الكفاءة والدوامة والقابلية للصنع، وتفصل الفروع التالية أهم التطورات الواعدة.

خلايا سولار من طراز Perovskite-Based Solar Cells

وقد أصبحت مواد البروفسكيت جهة تنسيق بسبب استيعابها الخفيف الاستثنائي وبساطة الصنع، وفي شكل مرن، بلغت الخلايا الشمسية المشبع بالزوارق كفاءة تحويل الطاقة أكثر من 20 في المائة، وتنافست كثيرا من النظراء الجامدين، وقد أثبت العلماء في مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) وجود معامل كفاءة أولي يمكن استبقاؤه.

ابتكار آخر يتضمن استخدام بوليمرات التعافي الذاتي في طبقة البروفسكيت، إذا شكلت المايككروكراكات خلال القذف المتكرر، هذه المواد يمكن أن تصلح تلقائياً الضرر،

المواد الفوتوغرافية العضوية

والزنزانات الشمسية العضوية، التي تُنتج من موصلات شبه مُنتجة مُنْ الكربون، مرنة في جوهرها ويمكن طبعها باستخدام عمليات التدحرج إلى النتائج، وقد دفعت التطورات الأخيرة كفاءتها إلى ما يزيد على 18 في المائة بالنسبة لأجهزة المناطق الصغيرة، كما طور الباحثون البوليمر العضوي الذي يتسم بالشفافية في ضوء مرئي، ويستوعب في الطيف القريب من الموارد، ويمكن تطهير هذه الخلايا شبه الشفافة على وجوه أو جعلها من التصورات دون رؤى دون رؤى.

وقد حققت فرق في جامعة كامبريدج () معالم بارزة، أظهرت خلية شمسية عضوية مدمجة في النسيج يمكن أن تُستخدم في تشغيل جهاز تعقب لللياقة تحت ضوء الشمس المباشر والإضاءة الداخلية، وكانت المادة مُرتَكبة مباشرة في النسيج، مما أدى إلى إزالة الحاجة إلى أجهزة اتصال صلبة.

ومن الأمثلة العملية على ذلك، " الجاكيت الشمسي " الذي طوره فريق Kaiser Research Group ]، والذي يميز لوحات شمسية مرنة مُغرمة في الأكتاف، وهي محمية للمياه ومحتوية على أجهزة مغسلة للآلات، وتعالج الشواغل المشتركة المتعلقة بالدوافع، وفي الاختبارات الميدانية، ينتج يوم كامل من التزلج طاقة كافية لتشغيل كاميرا GoPro باستمرار.

أنماط رصد الصحة

(ب) إن القابلات الطبية للزراعة هي من الطبيعي أن تكون خلية شمسية مرنة لأنها غالباً ما تحتاج إلى العمل لأيام أو أسابيع دون مبادلات بطارية.() وقد تُستخدم أجهزة الاستشعار من نوع الباتش لرصد الغلوكوس المستمر، أو معدل القلب، أو ماجستير في الطاقة الشمسية، في شكل خلية شمسية رقيقة ومرنة على الطبقة العليا، وتُحوّل هذه الخلية الضوء الملون إلى كهرباء يُتحّلُلُ أجهزة الاستشعار وتُل البيانات دون سلك.()

ويمكن لهذه البقع أيضاً تخزين الطاقة الزائدة في مكثف مدمج صغير، مما يوفر الطاقة أثناء النوم أو عندما تغطيها الملابس، وتكون التجمع كله أقل من 2 ملم وتطابق مع مواقد الجسم دون إعاقة الحركة.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

ورغم التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك عقبات تقنية وتجارية عديدة قبل أن تصبح الخلايا الشمسية المرنة معيارا في المقاييس.

طول المدة

وتعاني المزلاجات والمواد العضوية من حساسية شديدة للأكسجين والرطوبة، فبينما تحسنت تقنيات التعبئة، فإنها تضيف تكلفة وتعقيدا، كما تواجه الخلايا المرنة ضغوطا ميكانيكية من الإقراض المتكرر، والغسيل، والتعرض للتعرق، وتفقد الخلايا العضوية الحالية 20-30 في المائة من كفاءتها بعد 000 1 ساعة من الاستخدام في الهواء الطلق، وتستكشف الباحثات الأفلام الحاجزائية التي تُصُم من العمر المتوقع.

التصنيع المتصاعد

(ب) إن الطباعة من البداية إلى النتائج هي طريقة إنتاجية واعدة منخفضة التكلفة، ولكن المحاصيل تظل أقل من إنتاج الخلايا الصلصالية الصلبة، كما أن عدم التسامح في المضبوطات الفرعية المرنة أكثر صعوبة، ولا يزال الأداء المتسق في جميع وحدات المناطق الكبيرة يُستخدم على النحو الأمثل، أما الشركات مثل Oxford PV فكانت أعلى من التكلفة [FLT].[

السلامة والمؤمّن

وبالنسبة للزبائن، يجب ألا تسبب الخلية الشمسية تهيج الجلد أو التسخين المفرط أو عدم الراحة، وتثير المزلاجات القائمة على الرصاص شواغل تتعلق بالسمية، رغم أن البدائل الخالية من الرصاص (التي تستند إلى القصدير أو البسمة) يجري تطويرها بكفاءة مماثلة، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تظل الخلايا قابلة للتنفس من أجل إدماج المنسوجات، ويجب أن تكون جميع المكونات الإلكترونية قادرة على منع حدوث تحليقات الإلكترونية التلقينية من التلقيم أو من التركيز على الأمطار(32).

الاتجاهات المستقبلية

وفي المستقبل، سيتحول التركيز إلى خلايا مرنة متعددة الزوايا يمكن أن تلتقط الضوء عبر طيف الشمس بأكمله، مما قد يحقق الكفاءة فوق 30 في المائة، وثمة اتجاه مثير آخر يتمثل في تطوير محصولات " مختلطة " تجمع خلايا شمسية مرنة مع مكونات فائقة الجمال أو حرارة لاستخلاص الطاقة من حرك الجسم وحرارته، ويمكن لهذه النظم المتكاملة أن تجعل من الممكن أن تكون قابلة للزراعة فعالة للطاقة، أو تخفض أو تلغي الحاجة إلى أي بطارية.

كما أن التقدم في الخلايا الشمسية الشفافة والقربة المنشارة سيمكنها من استخدامها في نظارات الواقع المعززة، والمعونات السمعية، والمجوهرات الذكية، والهدف النهائي هو جعل حصاد الطاقة سمة سلبية غير مرئية من المواد اليومية، بحيث لا يفكر المستخدم في التقاضي مرة أخرى.

ومع تطور التكنولوجيا، سيكون التعاون بين علماء المواد ومهندسي المنسوجات ومصممي المنتجات أمرا بالغ الأهمية، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم خلايا شمسية مرنة تُصبح مشتركة في الملابس حيث أن الزنبر اليوم، والأجهزة التمكينية الهادئة للارتفاع أطول وأصغر وأبعد استدامة.