أعلن فريق البحث العلمي بجامعة نانيانج التكنولوجية (NTU) في سنغافورة مؤخرًا عن تطوير نوع من خلايا البيروفسكايت الشمسية فائقة الرقة والشفافة يبلغ سمكها حوالي 10 نانومتر فقط، أي حوالي جزء من عشرة آلاف من شعرة الإنسان. إنها أرق بنحو 50 مرة من خلايا البيروفسكايت التقليدية، لكنها لا تزال تحافظ على كفاءة التحويل الكهروضوئية الرائدة بين الأجهزة فائقة الرقة. ومن المتوقع أن يتم دمجه مباشرة في الأسطح الشفافة مثل زجاج المباني ونوافذ السيارات وحتى النظارات الذكية، مما يحول زجاج "الإضاءة السلبية" في الأصل إلى حامل للطاقة لتوليد الطاقة المستدامة.
إن العائق العملي الرئيسي أمام نشر الطاقة الشمسية على نطاق واسع في المدن هو "مكان وضع الألواح". الوحدات الكهروضوئية التقليدية ليست فقط معتمة وثقيلة، ولكنها تتطلب أيضًا زجاجًا واقيًا وطبقات تغليف وأقواسًا معدنية وهياكل تركيب. تزن اللوحة المنزلية القياسية ما بين 18 إلى 23 كيلوجرامًا وتبلغ قوتها حوالي 350 إلى 450 واط. يكاد يكون من غير الواقعي أن يكون مبنى المكاتب الكبير "مكتفيًا ذاتيًا" من خلال الخلايا الكهروضوئية الموجودة على السطح. تفتقر العديد من المدن ذات الكثافة السكانية العالية أيضًا إلى مساحات كبيرة من المساحات المفتوحة لوضع محطات الطاقة الكهروضوئية. إن تغطية الجزء الخارجي من الحائط الساتر الزجاجي بألواح كهروضوئية معتمة وثقيلة لا يغير مظهر المبنى فحسب، بل يؤثر أيضًا على الإضاءة والأداء الحراري. ولذلك، فإن كيفية الاستفادة من السطح الزجاجي ذي المساحة الكبيرة كانت دائمًا اتجاه البحث في مجال التكنولوجيا الكهروضوئية الشفافة.
تتمثل خطة فريق NTU في استخدام البيروفسكايت، "المادة النجمية" في المجال الكهروضوئي في العقد الماضي. يحتوي هذا النوع من المواد البلورية على تكاليف إعداد منخفضة، وكفاءة نظرية عالية، ولا يزال بإمكانه الحفاظ على أداء جيد لتوليد الطاقة في ظل ظروف الإضاءة المنخفضة والإضاءة المتناثرة. إنها مناسبة جدًا لبيئات الوادي الحضرية ذات المباني الشاهقة والظلال المتداخلة. ويمكن أن يستمر في توليد الكهرباء في اتجاهات غير مثالية وفترات غير أقوى لأشعة الشمس، مما يعوض عيوب الخلايا التقليدية القائمة على السيليكون والتي تعتمد بشكل كبير على أشعة الشمس المباشرة. وقام فريق البحث بإعداد طبقات امتصاص رقيقة للغاية من البيروفسكايت بسماكة 10 و30 و60 نانومتر في التجربة. وصلت كفاءة التحويل الكهروضوئي للجهاز المعتم عند هذه السماكات الثلاثة إلى حوالي 7٪ و11٪ و12٪ على التوالي. وعلى هذا الأساس، صنعوا أيضًا جهازًا شفافًا بسمك 60 نانومترًا بكفاءة 7.6%، مع نقل حوالي 41% من الضوء المرئي، وإيجاد توازن بين "المشهد الخارجي المرئي" و"القدرة الكبيرة على توليد الطاقة".
بالمقارنة مع وحدات الطاقة الشمسية التقليدية التي تزيد كفاءتها عن 20% في السوق، فإن هذا الرقم ليس مبهرًا، ولكن من الواضح أن جاذبيتها على مستوى النظام مختلفة في ظل فرضية أن الجهاز لديه "وزن صفر" تقريبًا، ويمكن أن يعمل في الإضاءة المنخفضة، ويمكن دمجه مباشرة في الهيكل الزجاجي. والأهم من ذلك، أن أجهزة NTU "محايدة الألوان" ولن تضيف لونًا واضحًا أو صباغة على الزجاج. لا يزال المظهر مشابهًا للزجاج الشفاف العادي، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للمباني الحديثة التي تهتم بتأثيرات الواجهة. وأشار فريق البحث إلى أنه من خلال التحكم الدقيق في سمك ترسيب طبقة البيروفسكايت، يمكن تعديل المفاضلة بين الشفافية والكفاءة أثناء مرحلة التصنيع للتكيف مع احتياجات سيناريوهات التطبيق المختلفة.
ومن أبرز معالم هذا العمل عملية التحضير. لم يستخدم الفريق العمليات الرطبة مثل الطلاء الدوراني الشائع حاليًا في المختبرات، ولكنه اعتمد تقنية التبخر الحراري الفراغي الناضجة صناعيًا: تسخين المادة في غرفة مفرغة لتبخيرها وترسيبها في طبقة رقيقة جدًا على سطح الركيزة. وقال الباحثون إن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحضير خلايا البيروفسكايت الشمسية فائقة الرقة بالكامل من خلال عملية فراغية. وقد تم استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في صناعات أشباه الموصلات وشاشات العرض. يمكنها تحقيق مساحة كبيرة، سماكة موحدة للغاية وأغشية خالية من المذيبات، والتي لها مزايا واضحة للإنتاج على نطاق واسع في المستقبل والتحكم في الإنتاجية.
ووفقا لتقديرات فريق البحث، إذا تم توسيع نطاق هذه التكنولوجيا بنجاح في الهندسة ودمجها في الجدران الزجاجية للمباني الشاهقة، مثل الواجهة الزجاجية بأكملها لمبنى شاهق مثل مركز التجارة العالمي في نيويورك، فيمكنها نظريا توليد ملايين كيلووات/ساعة من الكهرباء سنويا، وهو ما يعادل تقريبا استهلاك الكهرباء لـ 40 أسرة أمريكية متوسطة لمدة عام. أشارت قائدة الفريق أناليزا برونو، الأستاذ المشارك في كلية العلوم الفيزيائية والرياضية وكلية علوم وهندسة المواد بجامعة NTU، إلى أنه مع وجود حوالي 40٪ من استهلاك الطاقة العالمي يأتي من البيئة المبنية، فإن التقنيات التي تحول أسطح المباني بسلاسة إلى أصول لتوليد الطاقة أصبحت ملحة بشكل متزايد.
ومع ذلك، فإن الطريق إلى الواقع لا يزال مليئا بالتحديات. على الرغم من أن الخلايا الكهروضوئية البيروفسكايت قد سجلت أرقامًا قياسية في الكفاءة بشكل متكرر في المختبر، إلا أنها كانت دائمًا منزعجة من "مشكلة العمر" على طريق التسويق: المادة حساسة لبخار الماء والأكسجين والحرارة والأشعة فوق البنفسجية، وتكون عرضة للتحلل عند تعرضها للبيئة الخارجية لفترة طويلة. تعد كيفية الحفاظ على أداء مستقر على مدار سنوات عديدة من التشغيل بمثابة عنق الزجاجة الفني المعترف به في هذا المجال. وعلق سام سترانكس، الأستاذ في جامعة كامبريدج والذي لم يشارك في البحث، بأن النتائج مشجعة، لكن الخطوة الرئيسية التالية هي التحقق من الاستقرار والمتانة وأداء الجهاز على المدى الطويل. لا تزال هناك فجوة هندسية كبيرة بين صنع عينات صغيرة عالية الأداء في المختبر وبين إنتاج عشرات الآلاف من الأمتار المربعة من "زجاج توليد الطاقة" فعليًا.
ومع ذلك، إذا تم حل مشكلات المتانة والتوسع في نهاية المطاف، فقد يكون التأثير المحتمل بعيد المدى. واجهات المدن الحديثة مغطاة بكمية كبيرة من الزجاج. بالإضافة إلى الإضاءة، ستعمل هذه الزجاجات أيضًا على زيادة حمل التبريد داخل المبنى. وإذا أمكن تحويل جزء منها إلى وحدات غير مرئية لتوليد الطاقة، فسيتم فتح شبكة طاقة حضرية موزعة جديدة دون احتلال أراض إضافية. ويعتقد فريق NTU أن آفاق التطبيق لا تقتصر على واجهات المباني، بل يمكن أن تمتد أيضًا إلى زجاج المركبات، والمناور، والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، والنظارات الذكية وغيرها من السيناريوهات. ومن المتوقع أن تسمح الخلايا الكهروضوئية الخفيفة الوزن والشفافة لبعض الأجهزة بمواصلة الشحن ببطء تحت الضوء المحيط اليومي دون تعريض "الألواح السوداء" التقليدية عمدًا.
قدم فريق البحث العلمي طلب براءة اختراع لهذا النوع من هيكل طبقة البيروفسكايت الرقيقة للغاية من خلال NTUitive، مؤسسة التحول التكنولوجي التابعة لجامعة نانيانغ التكنولوجية، ويعمل مع شركاء الصناعة للتحقق من عملية التبخر الحراري وتوحيدها لوضع الأساس للتصنيع اللاحق. في الوقت الحاضر، لا تزال هذه التكنولوجيا في مرحلة البحث، ولكنها اتخذت خطوة رئيسية في اتجاه "الخلايا الكهروضوئية غير المرئية" وتضيف أيضًا خيالًا أكثر واقعية إلى صورة الطاقة الحضرية الجديدة المتمثلة في "السماح للنوافذ بتوليد الكهرباء الخاصة بها".