وأصبحت الطاقة الشمسية حجر الزاوية في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، حيث تنمو القدرات المركبتين بشكل مكثف كل سنة، ومع ذلك، فإن الألواح الشمسية القائمة على السيليكون، وإن كانت موثوقة، تواجه قيودا أساسية في الكفاءة وخفض التكاليف، ولتجاوز هذه الحدود، يتحول الباحثون والمصنّعون إلى فئة جديدة من المواد: المزمار البيروفسكية، وهذه المركبات البلورية تعد بتقديم مزايا أرخص وأخفر خلايا الشمسية يمكن أن تعيد تشكيلها.

ما هي مواد بيروفسكيت؟

(ب) البيروفسكيات هي أسرة من المواد البلورية التي تتسم به بنية بلورية محددة تُعرف باسم هيكل البروفسكي، ويُسمى هذا الهيكل بعد تيتانات الكالسيوم المعدني (CaTiO3) التي اكتشفها في جبال الأورال غوستاف روز في عام 1839، والصيغة العامة للبيروفسكي هي ABX3، حيث توجد قبوتان من أحجار مختلفة وXogen

وما يجعل هذه المواد رائعة جداً بالنسبة للفولطيات الضوئية هو خصائصها الإلكترونية الفريدة، فلدى البروفسكيات معامل امتصاص مرتفع، مما يعني أنها يمكن أن تلتقط ضوء الشمس مع طبقات رقيقة جداً - وفي كثير من الأحيان فقط بضع مئات من الناموسومات السميكة، كما أن لديها طولاً طويلاً في نشر الناقلات وتنقلاً عالياً للشحنات، مما يتيح للكهرباء والثقوب أن تسافر بكفاءة إلى الكميات العالية قبل إعادة التك.

وعلى عكس السيليكون الذي يتطلب بلورات وحيدة عالية النقاء وصناعة كثيفة الطاقة عند درجات الحرارة فوق 1000 درجة مئوية، يمكن إيداع البروفسكيات من الحل عند درجات حرارة منخفضة (دون 150 درجة مئوية). وهذا يفتح الباب أمام الطباعة المنخفضة التكلفة من المنافذ الفرعية المرنة، مما يقلل بدرجة كبيرة من الاستثمار الرأسمالي والوقت الذي ينتعش فيه الطاقة.

The Advantages of Perovskite Solar Cells

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة الاستثنائية

ومنذ صدور أول تقارير عن خلايا الطاقة الشمسية في المحيط الهادئ في عام 2009 التي لا تتجاوز قيمتها 3.8 في المائة، أحرز الميدان تقدماً في سرعة الدهشة، وفي عام 2025، بلغت الكفاءة المعتمدة للخلايا الشمسية ذات الفتيل الواحد أكثر من 26 في المائة، مما يضاهي أفضل خلايا النسيج الأحادي، وهذا التحسن السريع هو التاريخي اللاصقي الذي لم يسبق له مثيل، وقد أخذت نسبة مئوية من الكفاءة في استخدام الخلايا الفولية.

انخفاض تكاليف الإنتاج واسترداد تكاليف الطاقة

ويُفترض أن يؤدي تبسيط الخلايا الشمسية في إنتاجها إلى انخفاض التكاليف، كما أن مواسير السيليكون تتطلب تنقية باهظة التكلفة وكثيفة الطاقة ونمواً بلورياً، بينما يمكن إيداع المحركات باستخدام تقنيات قابلة للتقسيم مثل التغليف أو طباعة الخلايا أو تركيب الخيوط.() كما أن استخدام المواد يخفض بدرجة كبيرة:

المرونة وتصميم الوزن الخفيف

ومن أكثر المزايا تحولاً للمربى هو توافقها مع المناشف الفرعية المرنة، وخلافاً لخلايا السيليكون الصلبة، يمكن أيضاً إيداع طبقات البروفسكي في أفلام بلاستيكية، أو أعلاف معدنية، أو حتى نسيجية، مما يخلق إمكانيات تطبيق جديدة تماماً: خلايا شمسية مدمجة في أزرق السقف، وألواح للخيام، ومقاومة للمركبات، ومئتين محمولين.

الامتصاص الخفيف فوق البنفسج

وتستوعب البيروفسكيات ضوء الشمس عبر نطاق أوسع وأكثر كفاءة من الطيف الشمسي مقارنة بالسيليكون، وتتجاوز الخلايا السائلة غير المباشرة حوالي 1.1 في المائة من الخلايا، مما يعني أنها تستوعب الضوء بدرجة أقل كفاءة من تلك الطاقة، وتهدر بعض الصور الطيفية العالية مثل الحرارة.

التحديات والحدود

الاستقرار والاستمرارية

وأهم حاجز أمام تسويق الخلايا الشمسية المحيطة بالمنحرف هو ضعفها أمام الإجهاد البيئي - التلقيح، والأكسجين، والحرارة، والضوء فوق البنفسجي، والتحيز الكهربائي، وقد تتدهور المواد ذات البروفسكيت بسرعة في ظل هذه الظروف، حيث تفقد بعض الخلايا المبكرة الكفاءة في غضون ساعات أو أيام في الهواء المحيط، والهيكل البلوري نفسه ناعم ومكون، مما يجعلها عرضة للتفاعلات الكيميائية وتقنيات الفوقية.

الشواغل المتعلقة بالسمية الرئيسية

وتحتوي الخلايا الشمسية ذات الأداء الأعلى على الرصاص، مما يثير القلق بشأن المخاطر البيئية والصحية إذا تعرضت الوحدات للتلف أو للتخلُّص بشكل غير سليم، كما أن الرصاص هو سم عصبي قوي، ويواجه استخدامه في المنتجات الاستهلاكية تنظيماً ثقيلاً في مناطق كثيرة، ويستكشف الباحثون بنشاط بدائل خالية من الرصاص مثل البيروفسكي المحتوي على القصدير (مثلاً، المقياس CSnI3) أو المقياس المزدوج للبيروفسكي (Bg.

القابلية للتصنيع والتصنيع

إن إنتاج أفلام للمساحة عالية الجودة على مناطق كبيرة (المترات المائية) أصعب من إنتاجها على محطات صغيرة للمختبرات الفرعية (المقياسان القصيران) - إن أساليب الترسيب المستخدمة في المختبر كثيرا ما تؤدي إلى ثقب، وتباينات في السميك، والعيوب عند التوسع، كما أن أساليب الترسيب في الاختراق توفر رقابة أفضل ولكنها أبطأ وأغلى تكلفة.

البحوث والابتكارات التي تتجاوز العقبات

خلايا الدبابات: أفضل العالمين

ومن أكثر الاستراتيجيات واعدة لتعزيز الكفاءة والاستقرار الجمع بين المزمار المشبوهة بالسيليكون في خلايا التانديم، وفي هذه التشكيلة، تستوعب الخلية العليا في البروفسكي صوراً عالية الطاقة، بينما تلتقط الخلية السائلة ذات الكفاءة المنخفضة التي تمر عبر طبقة البروفسكي، ويعزز هذا النهج البنية التحتية النضجية لتصميم السيليكونفورد مع إضافة تعزيز الكفاءة في الفرنسكي.

خامات متطورة وملفات موثقة

ومن أجل معالجة الرطوبة وحساسية الأكسجين، يقوم الباحثون بوضع مواد مضغوطة، كما أن ترسيب طبقات فوق سطح الأرض من طبقة غير عضوية (مثل أكسيد الألومنيوم) يمكن أن يوفر حاجزا فعالا للغاية دون أن يُضفي على المرونة، كما أن الكبسولة القائمة على البوليمرات ذات الختم الحاف والحلول قد ثبت أنها تتيح تمديد فترة عمر كل 000 1 خلية من الزنازين المعجلة إلى ما لا يتجاوز 25 سنة.

Lead-Free and Low-Toxicity Perovskites

وقد تكثف البحث عن بدائل غير سمية، وقد حققت المزلاجات القائمة على التين كفاءة تفوق 14 في المائة، ولكنها تُسجَّل بسرعة في الهواء، بينما تكون المزادات المتينة والمتعدِّدة للمناظرات أكثر استقراراً، ولكنها أقل كفاءة حتى الآن، وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام مواد الاستيعاب الأولي في عبوات الوحدات، مثل متعهدي المواد الكيميائية التي تُخلِّق أيِّد في أيِّيات.

تقنيات التصنيع المتناهي الصغر

ومن أجل الانتقال من المختبر إلى المزيف، يقوم الباحثون بتجديد أساليب الترسب، ويمكن أن ينتج المعاطف العتيقة، التي تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطباعة، أفلاماً مصممة للمزخرفة بسرعات مترية في الثانية، كما أن تصميمات الفخار باستخدام التخثر أو التهرب الحراري، توفر رقابة دقيقة على التكوين والسمك، كما أن الأساليب الهجينة التي تجمع بين الحل وخطوات البخارية يجري استكشافها.

التطبيقات والسوق

المطوّرات الفولطية المدمجة للمبنى (BIPV)

ويمكن أن تكون المرونة وشبه الشفافية في الخلايا الشمسية المحيطة بالمنوفات البيروفسكي مثالية للتطبيقات المدمجة في المباني، ويمكن إيداع هذه الخلايا في أفلام زجاجية أو بلاستيكية لخلق نوافذ شمسية ملونة أو حتى شفافة تولد الكهرباء دون إعاقة النظر، وقد أظهرت أفرقة البحوث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وغيرها خلايا شفافة ذات كفاءة تفوق 10 في المائة، وبثت الضوء على نحو 40 إلى 50 في المائة.

الإلكترونيات المحمولة والضعيفة

يمكن إدماج خلايا شمسية خفيفة ومرنة في حقائب الظهر والخيمات والملابس وحتى أغلفة الأجهزة الإلكترونية، وتعمل شركات مثل تكنولوجيات السول على خلايا البروفسكي المطبوعة لأجهزة الاستشعار على شبكة الإنترنت، والعلامات الذكية، والملابس، والملابس، وتكون قادرة على جمع هوامش النور داخل المباني (اللوفوريسترات والزبادي) قيمة خاصة بالنسبة للمكاتب الإلكترونية الصغيرة

الفضاء الجوي والدفاع

كما أن ارتفاع الطاقة (نسبة القوى إلى الوزن) للأفلام الرقيقة ذات الفرن الباروفسكيت جذاب في التطبيقات الفضائية، كما أن السواتل والطائرات بدون طيار والسواتل ذات السعة العالية يمكن أن تستفيد من صفائف شمسية خفيفة الوزن تنتج الطاقة بقدر أكبر من الطاقة التي تنتجها الخلايا ذات القدرة العالية على الارتفاع أو خلايا الزلايا ثلاثية الزوايا التي تستخدم فيها البروفسكي في مدار أرضي منخفض على السواتل الصغيرة، وقد أظهرت مقاومة إشعاعية جيدة.

المركبات المدمجة

ويمكن للمركبات الكهربائية أن تمدد نطاقها عن طريق إدماج الخلايا الشمسية على السطح والقلنسوة والصندوق، كما أن مرونة وكفاءة خلايا بيروفسكيت تجعلها مناسبة لسطح السيارات الممنوح، كما أن وفورات الوزن مقارنة بخلايا السيليكون المزودة بالزجاج تسهم أيضا في كفاءة المركبات، وتستكشف عدة أجهزة للمركبات الأوتوماتيكية أسطح شمسية من طراز perovskite، كميزة للأنواع القادمة للمركبات الإلكترونية.

الجدول الزمني للتسويق

وفي عام 2025، بدأت أول وحدات شمسية تجارية من طراز perovskite تظهر في تطبيقات النشوء، وتعتزم شركة Oxford أن تصنع وحداتها من التوابل البيروفسكيت - السيليكونية في مصنعها في ألمانيا بحلول عام 2026، التي تستهدف السوق الشمسية على نطاق المرافق، وقد أطلقت شركة Saule Technologies منتجات لجمع الطاقة داخل المباني من أجل أجهزة الاستشعار التي تستخدم فيها هذه المادة.

وبالنسبة للشمس السكنية والتجارية الرئيسية، يتوقع الخبراء أن تحقق وحدات الدوام الذاتي فترة 20 عاماً وأن تقل تكلفتها عن 0.30 دولار لكل واط بحلول عام 2030، وقد تصل وحدات التانديم إلى مستويات الكفاءة التي تزيد على 30 في المائة في الإنتاج في غضون الإطار الزمني نفسه، ومن المتوقع أيضاً أن تتطور المعايير التنظيمية ومعايير السلامة للمحتوى الرائد مع تسارع وتيرة إعادة التدوير في الهياكل الأساسية.

الأثر البيئي والاستدامة

ويتبين من تحليل دورة الحياة للخلايا الشمسية المشبع بالزئبق أن لديها قدرة أقل على السمية من احتمال وجودها على نطاق واسع، لا سيما عندما تكون مكتظة على النحو الصحيح، وأن المحتوى الرئيسي في وحدة تصنيع الطاقة المشبع بالفلور يبلغ نحو 0.1 إلى 0.2 غرام لكل متر مربع، مقارنة بـ 100 إلى 200 غرام من الرصاص المستخدم في كل بطارية مثبتة، علاوة على أن الرصاص في البصمات البروفسكية غالبا ما يكون في مركب ثابتا أقل من الرصاص.

ولا تزال إعادة تدوير وحدات البيروفسكيت في مرحلة النشء ولكنها تظهر الوعود، وقد أثبت الباحثون أساليب حل طبقة البروفسكيت واستعادة الرصاص والقصدير والمواد الأخرى لإعادة الاستخدام في خلايا جديدة، ويمكن أن يقلل إعادة تدوير القاع المغلقة من النفايات ومعالجة الشواغل المتعلقة بندرة الموارد، ونظراً إلى أن اللوائح تشدّد، فمن المرجح أن تعتمد الجهات المصنعة إعادة التدوير كعملية معيارية.

خاتمة

وتمتلك المواد ذات البروفسكية مزيجاً نادر من الكفاءة العالية، وانخفاض التكلفة، والقابلية للتنوع، حيث تضعها كقوة تحولية في الطاقة الشمسية، وفي حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة في الاستقرار والحجم - فإن سرعة الابتكار في المستقبل هي أمر رائع، فالتصميمات التي تستخدمها التانديم، والتكديس المتقدم، والبدائل الخالية من الرصاص تغلق باستمرار الفجوة بين خلايا السجلات المختبرية والمنتجات القابلة للتطبيق تجارياً.

قراءتها ومصادرها الإضافية ]: