تكنولوجيا كهروضوئية قائمة على بيل جيتس والتي قد تكون مستقبل الطاقة الشمسية

في عام 1839 ، ذهب العالم الألماني جوستاف روز للتنقيب في جبال الأورال واكتشف معدنًا لامعًا داكنًا. أطلق على تيتانات الكالسيوم اسم “بيروفسكايت” نسبة إلى عالم المعادن الروسي ليف بيروفسكي. كان هذا المعدن واحدًا من العديد من المعادن التي حددها روز للعلوم ، ولكن بعد ما يقرب من قرنين من الزمان ، يمكن للمواد التي تتشارك في التركيب البلوري للبيروفسكايت أن تحول الطاقة المستدامة والسباق ضد تغير المناخ من خلال تعزيز كفاءة الألواح الشمسية التجارية بشكل كبير.

شكلت الألواح الشمسية ما يقرب من 5٪ من إنتاج الطاقة في الولايات المتحدة العام الماضي ، بزيادة 11 ضعفًا عما كانت عليه قبل 10 سنوات وتكفي لتزويد حوالي 25 مليون منزل بالطاقة. إنه المصدر الأسرع نموًا للطاقة الجديدة أيضًا ، حيث يمثل 50٪ من إجمالي توليد الكهرباء الجديد المُضاف في عام 2022. لكن جميع الوحدات الشمسية تقريبًا المستخدمة في توليد الطاقة اليوم تتكون من ألواح تقليدية قائمة على السيليكون مصنوعة في الصين ، وهي تقنية لم تتغير كثيرًا منذ اكتشاف خلايا السيليكون في الخمسينيات من القرن الماضي.

المواد الأخرى المستخدمة ، مثل زرنيخيد الغاليوم ، سيلينيد الإنديوم والنحاس والكادميوم تيلورايد – هذا الأخير هو مفتاح لأكبر شركة للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة فيرست سولارنمو – يمكن أن يكون مكلفًا جدًا أو سامًا. يقول مؤيدو الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت إن بإمكانهم التفوق على السيليكون بطريقتين على الأقل وتسريع الجهود في السباق لمكافحة تغير المناخ. هذا الأسبوع فقط ، أعلنت شركة First Solar عن استحواذها على شركة Evolar لتكنولوجيا البيروفسكايت الأوروبية.

حدود السيليكون للخلايا الشمسية

تقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل الفوتونات الموجودة في ضوء الشمس إلى كهرباء. لكن ليست كل الفوتونات متشابهة. لديهم كميات مختلفة من الطاقة وتتوافق مع أطوال موجية مختلفة في الطيف الشمسي. تتمتع الخلايا المصنوعة من البيروفسكايت ، والتي تشير إلى مواد مختلفة ذات هياكل بلورية تشبه المعدن ، بمعامل امتصاص أعلى ، مما يعني أنه يمكنها الاستيلاء على نطاق أوسع من طاقات الفوتون على طيف ضوء الشمس لتوفير المزيد من الطاقة. بينما تتمتع خلايا السيليكون التجارية القياسية بكفاءة تصل إلى حوالي 21٪ ، فإن خلايا البيروفسكايت المختبرية لها كفاءات تصل إلى 25.7٪ لتلك القائمة على البيروفسكايت وحده ، وما يصل إلى 31.25٪ لتلك التي يتم دمجها مع السيليكون في ما يسمى بالخلية الترادفية. وفي الوقت نفسه ، حتى مع زيادة كفاءة السيليكون ، تواجه الخلايا أحادية الوصلة حاجزًا نظريًا أقصى كفاءة بنسبة 29٪ ، يُعرف باسم حد Shockley-Queisser ؛ حدها ​​العملي منخفض يصل إلى 24٪.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون خلايا البيروفسكايت أكثر استدامة في الإنتاج من السيليكون. هناك حاجة إلى حرارة شديدة وكميات كبيرة من الطاقة لإزالة الشوائب من السيليكون ، والتي تنتج الكثير من انبعاثات الكربون. كما يجب أن يكون سميكًا نسبيًا حتى يعمل. خلايا البيروفسكايت رقيقة جدًا – أقل من 1 ميكرومتر – ويمكن دهنها أو رشها على الأسطح ، مما يجعلها رخيصة نسبيًا في الإنتاج. قدر تحليل أجرته جامعة ستانفورد لعام 2020 لطريقة إنتاج تجريبية أن وحدات البيروفسكايت يمكن تصنيعها مقابل 25 سنتًا فقط للقدم المربع ، مقارنةً بنحو 2.50 دولارًا أمريكيًا لمكافئ السيليكون.

يقول تسوتومو مياساكا ، أستاذ الهندسة بجامعة Toin في يوكوهاما ، الذي أبلغ عن إنشاء أول خلية شمسية من البيروفسكايت في عام 2009: “ستنشئ الصناعات خطوط إنتاج في المصانع لتسويق خلاياها الشمسية قبل عام 2025”. لوحات ولكن أيضًا أجهزة طاقة إنترنت الأشياء الداخلية ، والتي ستكون سوقًا كبيرًا للأجهزة الكهروضوئية من البيروفسكايت لأنها يمكن أن تعمل حتى في ظل الإضاءة الضعيفة “.

دعم الجيل القادم من تكنولوجيا المناخ

بدأت الشركات في جميع أنحاء العالم في تسويق ألواح البيروفسكايت. تقوم شركة CubicPV ، ومقرها ماساتشوستس وتكساس ، بتطوير وحدات ترادفية منذ عام 2019 ، ومن بين داعميها مشاريع الطاقة المبتكرة التي ابتكرها بيل جيتس. وتقول الشركة إن وحداتها تتكون من طبقة سفلية من السيليكون وطبقة علوية من البيروفسكايت وستصل كفاءتها إلى 30٪. ميزتها ، وفقًا للرئيس التنفيذي فرانك فان مييرلو ، هي كيمياء البيروفسكايت الخاصة بالشركة وطريقة التصنيع منخفضة التكلفة لطبقة السيليكون التي تجعل النهج الترادفي اقتصاديًا.

في الشهر الماضي ، أعلنت وزارة الطاقة أن شركة CubicPV ستكون مشاركًا رئيسيًا في الصناعة في مركز أبحاث جديد لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من شأنه تسخير الأتمتة والذكاء الاصطناعي لتحسين إنتاج الألواح الترادفية. وفي الوقت نفسه ، تم تعيين شركة CubicPV لاتخاذ قرار بشأن موقع مصنع جديد لرقائق السيليكون 10 جيجاوات في الولايات المتحدة ، وهي خطوة تقول إنها ستسرع من التطوير الترادفي.

قال فان مييرلو: “يستخرج الترادف مزيدًا من الطاقة من الشمس ، مما يجعل كل منشأة شمسية أكثر قوة ويسرع من قدرة العالم على الحد من أسوأ آثار تغير المناخ”. “نعتقد أنه في العقد المقبل ، ستتحول الصناعة بأكملها إلى الترادف.”

في أوروبا ، تخطط Oxford PV أيضًا للبدء في إنشاء وحدات ترادفية. منبثقة عن جامعة أكسفورد ، تدعي كفاءة 28 ٪ للترادف وتقول إنها تطور خلية متعددة الطبقات بكفاءة 37 ٪. تقوم الشركة ببناء مصنع للخلايا الشمسية في براندنبورغ بألمانيا ، لكن تأخر ذلك بسبب جائحة فيروس كورونا وعقبات سلسلة التوريد. لا تزال الشركة الناشئة ، التي تأسست عام 2010 وبدعم من شركة الطاقة النرويجية Equinorتأمل شركة Goldwind الصينية لصناعة توربينات الرياح وبنك الاستثمار الأوروبي في أن تبدأ الشحنات هذا العام بانتظار الحصول على الشهادة التنظيمية. سيتم تسعير هذه التقنية مبدئيًا أعلى من خلايا السيليكون التقليدية لأن الترادف يوفر كثافة طاقة أعلى ، لكن الشركة تقول إن الاقتصاديات مواتية طوال العمر الافتراضي للاستخدام.

حاول العديد من الشركات الناشئة في مجال الطاقة الشمسية على مر السنين كسر الحصة السوقية للصين وألواح السيليكون التقليدية ، مثل سوليندرا المعروف الآن بالإفلاس ، والذي استخدم النحاس الإنديوم سيلينيد الغاليوم. نجا نهج الأغشية الرقيقة للكادميوم تيلورايد من شركة First Solar من هزة شمسية استمرت عقدًا من الزمان بسبب توازنها بين التكلفة المنخفضة مقارنة بالسيليكون البلوري والكفاءة. لكنها الآن ترى الخلايا الترادفية كمفتاح لمستقبل صناعة الطاقة الشمسية أيضًا.

يقول كريس كيس ، رئيس قسم التكنولوجيا في أوكسفورد PV: “إن مادة البيروفسكايت مادة تخريبية دون تعطيل نموذج العمل – القدرة الراسخة على التصنيع القائمة على السيليكون”. “سيكون منتجنا أفضل في إنتاج طاقة أقل تكلفة من أي تقنية شمسية منافسة.”

يركز Caelux ، وهو فرع تابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، أيضًا على تسويق الخلايا الترادفية. بدعم من VC Vinod Khosla ومجموعة الطاقة الهندية والاتصالات والبيع بالتجزئة Reliance Industries ، تريد Caelux العمل مع شركات وحدات السيليكون الحالية عن طريق إضافة طبقة من زجاج البيروفسكايت إلى الوحدات التقليدية لزيادة الكفاءة بنسبة 30٪ أو أكثر.

أسئلة حول الأداء خارج المختبر

تواجه Perovskites تحديات من حيث التكلفة والمتانة والأثر البيئي قبل أن تتمكن من إحداث تأثير في السوق. يعد بيروفسكايت هاليد الرصاص أحد أفضل الإصدارات أداءً ، لكن الباحثين يحاولون صياغة تركيبات أخرى لتجنب سمية الرصاص.

يعتقد مارتن جرين ، الباحث في الخلايا الشمسية بجامعة نيو ساوث ويلز في أستراليا ، أن الخلايا الترادفية القائمة على السيليكون ستكون الخطوة الكبيرة التالية للأمام في تكنولوجيا الطاقة الشمسية. لكنه يحذر من أنه من غير المعروف أنها تعمل بشكل جيد خارج المختبر. يمكن أن تتحلل مواد البيروفسكايت عند تعرضها للرطوبة ، وهي مشكلة ادعى الباحثون بعض النجاح فيها.

قال جرين ، الذي يرأس المركز الأسترالي للخلايا الكهروضوئية المتقدمة: “السؤال الكبير هو ما إذا كانت الخلايا الترادفية المصنوعة من البيروفسكايت / السيليكون ستتمتع أبدًا بالاستقرار المطلوب لتكون مجدية تجاريًا”. “على الرغم من إحراز تقدم منذ الإعلان عن أول خلايا بيروفسكايت ، فإن البيانات الميدانية الوحيدة المنشورة لمثل هذه الخلايا الترادفية ذات الكفاءة التنافسية تشير إلى أنها ستعيش فقط لبضعة أشهر في الهواء الطلق حتى عندما يتم تغليفها بعناية.”

في تجربة ميدانية حديثة ، تم اختبار الخلايا الترادفية لأكثر من عام في المملكة العربية السعودية ووجد أنها تحتفظ بأكثر من 80٪ من كفاءة التحويل الأولية البالغة 21.6٪. من جانبها ، تقول Oxford PV أن خلاياها الشمسية مصممة لتلبية متوسط ​​العمر المتوقع من 25 إلى 30 عامًا عند تجميعها في وحدات فلطائية ضوئية قياسية. وتقول إن وحدات العرض الترادفية الخاصة بها اجتازت اختبارات الإجهاد الرئيسية المتسارعة في الصناعة للتنبؤ بعمر الوحدة الشمسية.

تجارب البيروفسكايت في اليابان

في اليابان ، من الصعب الحصول على مساحات شاسعة من الأرض يمكن أن تستضيف مشاريع ضخمة للطاقة الشمسية بسبب التضاريس الجبلية للأرخبيل. وهذا أحد أسباب قيام الشركات بتطوير ألواح بيروفسكايت رفيعة ومتعددة الاستخدامات لاستخدامها على الجدران وأجزاء أخرى من المباني. في وقت سابق من هذا العام ، قامت Sekisui Chemical و NTT Data بتركيب خلايا البيروفسكايت على السطح الخارجي للمباني في طوكيو وأوساكا لاختبار أدائها على مدار عام. وفي الوقت نفسه ، ابتكرت شركة باناسونيك لصناعة الإلكترونيات طابعة نافثة للحبر يمكنها إنتاج خلايا بيروفسكايت رقيقة بأحجام وأشكال وعتامة مختلفة ، مما يعني أنه يمكن استخدامها في الزجاج العادي المثبت على النوافذ والجدران والشرفات والأسطح الأخرى.

يقول يوكيهيرو كانيكو ، المدير العام في مركز باناسونيك لتكنولوجيا المواد التطبيقية: “سيكون توليد الطاقة واستهلاكها في الموقع مفيدًا جدًا للمجتمع”. “لكي تحقق اليابان هدفها في إزالة الكربون ، ستحتاج إلى بناء 1300 مشروع ضخم للطاقة الشمسية بحجم ملعب كرة قدم كل عام. لهذا السبب نعتقد أن بناء النوافذ والجدران هو الأفضل.”

تم عرض خلية باناسونيك التي تبلغ مساحتها 30 سم مربعًا من مادة البيروفسكايت ، والتي عُرضت في معرض CES 2023 ، بنسبة 17.9٪ ، وهي أعلى نسبة كفاءة في العالم ، وفقًا لتصنيف من مختبر الولايات المتحدة الوطني للطاقة المتجددة. من المتوقع أن تحصل الشركة المصنعة على دفعة من اللوائح مثل الشرط المعلن عنه مؤخرًا بأن تحتوي جميع مشاريع الإسكان الجديدة في طوكيو على ألواح شمسية بدءًا من عام 2025. وتقول باناسونيك إنها تهدف إلى تسويق خلايا البيروفسكايت الخاصة بها في السنوات الخمس المقبلة.

يعتقد مياساكا ، مخترع خلايا البيروفسكايت ، أن توليد الطاقة من البيروفسكايت سيشكل أكثر من نصف سوق الخلايا الشمسية في عام 2030 ، ليس عن طريق استبدال السيليكون ولكن من خلال تطبيقات جديدة مثل بناء الجدران والنوافذ.

قال مياساكا: “كان التقدم السريع في كفاءة تحويل الطاقة نتيجة مفاجئة وغير متوقعة حقًا بالنسبة لي”. “باختصار ، ستكون هذه مساهمة كبيرة في تحقيق مجتمع مستدام مكتفي ذاتيًا.”