استمع إلى المقال

في عصرنا الحالي، تواجه الكرة الأرضية تحديات هائلة فيما يتعلق بالطاقة والمناخ، حيث تعتبر الطاقات التقليدية المعتمدة على الوقود الأحفوري من أهم الأسباب وراء التغيرات المناخية والتلوث البيئي الذي يعاني منه كوكبنا؛ لذلك، ينبغي أن ننظر إلى الطاقات البديلة كحل ضروري للحد من تأثيرنا السلبي على البيئة والحفاظ على مستقبل صحي للكوكب.

الكرة الأرضية تعد مصدرا لا ينضب للطاقة المتجددة، وتشمل هذه المصادر الشمس والرياح والماء والحرارة الأرضية والمد والجزر، وتتميز الطاقات البديلة بأنها نظيفة وغير ملوثة، وتُعتبر خيارا مستداما واقتصاديا لتلبية احتياجات الطاقة العالمية.

العديد من الشركات والخبراء في جميع أنحاء العالم يعملون على تطوير وتعزيز استخدام الطاقات البديلة بشتى السبل الممكنة، وتتضمن هذه الجهود تحسين تكنولوجيا الطاقة الشمسية، والتي تعد من بين الطاقات البديلة الأكثر وعودا وانتشارا في الوقت الراهن.

فالشمس هي مصدر لا ينضب للطاقة، ويمكن استغلالها بسهولة وبتكلفة منخفضة، تتواجد الألواح الشمسية على العديد من المنازل والمباني، وتولّد الكهرباء من الطاقة الشمسية، وتعمل الشركات المتخصصة باستمرار على تحسين كفاءة الألواح الشمسية وتطوير تقنيات تخزين الطاقة لتعزيز استدامة استخدامها.

اكتشاف معدن “بيروفسكايت”

في عام 1839، قام العالم الألماني غوستاف روز برحلة استكشافية في جبال الأورال حيث اكتشف معدنًا لامعًا وداكنًا، وأطلق عليه اسم “بيروفسكايت” تيمّناً بعالم المعادن الروسي ليف بيروفسكي؛ وبعد ما يقرب من مئتي عام، تم اكتشاف قدرة المواد التي تتألف من بنية بلورية من البيروفسكايت على تحويل الطاقة المستدامة ودعم جهود مكافحة تغير المناخ من خلال تعزيز كفاءة الألواح الشمسية التجارية بشكل كبير.

بحسب تقرير صادر عن مجلس الطاقة الشمسية العالمي (GWEC) لعام 2022، فإن الولايات المتحدة أضافت 13.2 جيجاوات من قدرة الطاقة الشمسية على مستوى المنشآت في عام 2022، وهو رقم قياسي سنوي وزيادة بنسبة 25 بالمئة عن 10.6 جيجاوات التي تمت إضافتها في عام 2020، كما أضافت 5.4 جيجاوات من قدرة الطاقة الشمسية على المستوى الصغير، وهو ما يكفي لتزويد حوالي 25 مليون منزل بالطاقة، حيث بلغ إجمالي قدرة الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة 97.2 جيجاوات في نهاية عام 2022، مما يشكل حوالي 3.9 بالمئة من إجمالي قدرة توليد الكهرباء في البلاد.

مع ذلك، تتألف معظم وحدات توليد الطاقة الشمسية المستخدمة حاليا من الألواح القائمة على التكنولوجيا التقليدية للسيليكون المصنعة في الصين، والتي تجريبها قد يغير قليلاً منذ اكتشاف خلايا السيليكون في عام 1950.

بالنسبة للمواد الأخرى المستخدمة في الألواح الشمسية، مثل زرنيخيد الغاليوم، النحاس الإنديوم الغاليوم سيلينيد، والكادميوم تيلوريد – وهي إحدى المكونات الرئيسية لأكبر شركة للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة “First Solar“، قد تكون هذه المواد مكلفة للغاية أو سامة، حيث يؤكد مؤيدو خلايا البيروفسكايت أنها تتفوق على السيليكون، وتسرع جهود السباق لمكافحة تغير المناخ؛ في الواقع، تم الإعلان هذا الأسبوع عن استحواذ شركة ” First Solar” على شركة “Evolar” السويدية المتخصصة في البيروفسكايت.

السيليكون ضد البيروفسكايت

الخلايا الكهروضوئية تحول الفوتونات التي تأتي من ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، ولكن الفوتونات ليست كلها متطابقة، فهي تملك مستويات مختلفة من الطاقة، وتناسب أطوال موجية متباينة في الطيف الشمسي، فيما الخلايا التي تتكون من البيروفسكايت، تمتص المزيد من الضوء، مما يعني أنها تحصل على نطاق أكبر من طاقات الفوتون عبر طيف ضوء الشمس لإنتاج المزيد من الطاقة.

بينما خلايا السيليكون القياسية التجارية لديها كفاءات حول 21 بالمئة، فإن خلايا البيروفسكايت في المختبر لديها كفاءات تصل إلى 25.7 بالمئة للخلايا التي تحتوي على البيروفسكايت فقط، وحتى 31.25 بالمئة للخلايا التي تجمع بين السيليكون والبيروفسكايت فيما يسمى بالخلية الترادفية.

إضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون خلايا البيروفسكايت أكثر استدامة في عملية الإنتاج مقارنة بالسيليكون، ففي حالة السيليكون، هناك حاجة إلى تعريضه لدرجات حرارة عالية واستهلاك كميات كبيرة من الطاقة لإزالة الشوائب، وما ينجم عن ذلك من انبعاثات كربونية؛ علاوة على ذلك، يجب أن تكون طبقة السيليكون نسبيا سميكة لكي تكون فعّالة في العملية.

أما خلايا البيروفسكايت، فهي رقيقة جدا، حيث لا تتجاوز سماكتها 1 ميكرومتر، وبالتالي يمكن تطبيقها بسهولة عن طريق الدهان أو الرش على الأسطح، مما يجعلها أقل تكلفة نسبيا في عملية الإنتاج، وتشير دراسة أجرتها جامعة ستانفورد في عام 2020 على طريقة إنتاج تجريبية إلى إمكانية تصنيع وحدات البيروفسكايت بتكلفة قدرها 25 سنتا فقط للقدم المربع الواحد، بالمقارنة مع حوالي 2.50 دولارا للمساحة نفسها من السيليكون.

تسوتومو مياساكا، أستاذ الهندسة في جامعة توين في يوكوهاما، والذي قام بتطوير أول خلية شمسية بيروفسكايت في عام 2009، يقول “سوف تقوم الصناعات بإنشاء خطوط إنتاج في المصانع لتسويق خلايا البيروفسكايت الشمسية قبل عام 2025″، ويضيف، “سيتم استخدام هذه الخلايا ليس فقط في الألواح الشمسية الخارجية، بل أيضا في أجهزة إنترنت الأشياء الداخلية، والتي ستشكل سوقً كبيرا لخلايا البيروفسكايت الكهروضوئية؛ نظرا لقدرتها على العمل في ظروف إضاءة ضعيفة”.

دعم بيل جيتس للمنتج الجديد

الشركات حول العالم تشهد نهضة في تسويق ألواح البيروفسكايت، ومن بين هذه الشركات تبرز شركة “CubicPV” التي تتخذ مقراً لها في ماساتشوستس وتكساس، تعمل الشركة على تطوير وحدات ترادفية منذ عام 2019، وقد حظيت بدعم بيل جيتس في مشاريع الطاقة المتقدمة.

الشركة تشير إلى أن وحداتها تتألف من طبقة سيليكون سفلية وطبقة بيروفسكايت علوية، ومن المتوقع أن تصل كفاءتها إلى 30 بالمئة، وتعتبر مواد البيروفسكايت التي تتمتع بها الشركة وطريقة التصنيع المنخفضة التكلفة لطبقة السيليكون أهم مزاياها، وهو ما أكده الرئيس التنفيذي فرانك فان ميرلو.

في الشهر الماضي، أعلنت وزارة الطاقة عن انضمام شركة “CubicPV” كشريك رئيسي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في إطار تأسيس مركز بحثي جديد، يهدف إلى استغلال التحسينات في الأتمتة وتنظيم العفو الدولية لتعزيز إنتاج الألواح الشمسية الترادفية؛ وفي الوقت نفسه، تخطط الشركة لاختيار موقع جديد لمصنع رقائق السيليكون بسعة 10 جيجاوات في الولايات المتحدة، وهو ما سيساهم في تسريع تطور التكنولوجيا الترادفية.

في سياق مشابه، تخطط شركة “Oxford Photovoltaics” في أوروبا للبدء في إنتاج وحدات ترادفية أيضا، تدعي الشركة أن كفاءة الترادفات تصل إلى 28 بالمئة، وتعمل على تطوير خلايا متعددة الطبقات بكفاءة 37 بالمئة.

الشركة تقوم حاليا ببناء مصنع للخلايا الشمسية في براندنبورغ بألمانيا، ولكن تواجه بعض التأخيرات بسبب جائحة الفيروس التاجي وعقبات في سلسلة التوريد؛ ومع ذلك، تأمل الشركة في أن تبدأ عمليات الشحن في هذا العام بانتظار الموافقات التنظيمية، ومن المتوقع أن يكون سعر هذه التكنولوجيا في البداية أعلى من الخلايا الشمسية التقليدية؛ بسبب الكثافة العالية للطاقة المقدمة من الترادفات، لكن الشركة تؤكد أنها تتحقق من الأمور الاقتصادية على المدى الطويل.

لقد حاولت العديد من الشركات الناشئة في مجال الطاقة الشمسية على مر السنين تحطيم الهيمنة الصينية والألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، مثل “سوليندرا” التي أفلست حاليا، واستخدمت مادة سيلينيد الغاليوم الإنديوم النحاسي، ونجحت تقنية الأغشية الرقيقة للكادميوم تيلورايد من “First Solar” في البقاء، رغم تحديات مرت بها على مدار السنوات، نظرا لتوازنها بين التكلفة المنخفضة بالنسبة للسيليكون المبلور والكفاءة؛ ومع ذلك، ترى هذه الشركات الآن في الخلايا الترادفية المفتاح لمستقبل صناعة الطاقة الشمسية.

كريس كيس، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة ” Oxford Photovoltaics ” يقول “البيروفسكايت هي مادة قوية دون ريب، ولكنها لا تعرقل النموذج التجاري القائم على السيليكون”؛ ويضيف، “سيكون منتجنا أفضل في توليد الطاقة بتكلفة أقل مقارنة بأي تقنية شمسية منافسة”.

آثار الدعم

في الختام، يسلط التقرير الضوء على أهمية الابتكار الجديد في مجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية وتحقيق تقدم ملموس في مجال الخلايا الشمسية المبنية على البيروفسكايت، يعتبر الابتكار الدافع الرئيسي وراء التطور العلمي والتقني، وهو ما يمكن أن يحقق تغييرا ثوريا في صناعات الطاقة والبيئة.

الشخصيات المؤثرة في العالم مثل بيل جيتس تلعب دورا حاسما في دعم الابتكار وتشجيع العلماء والباحثين على استكشاف حلول جديدة ومبتكرة للتحديات البيئية والاقتصادية، كما يساعد دعمهم في توفير الموارد والتمويل اللازمين للبحث والتطوير وتجارب الميدان، مما يمكن أن يدفع بتكنولوجيا البيروفسكايت إلى مستويات أعلى من الكفاءة والاستدامة.