الألواح الشمسية Perovskite

مادة معروفة لدى العلماء لأكثر من مائة عام ، اليوم فقط ، في بداية القرن الحادي والعشرين ، اتضح أنها مادة واعدة جدًا لإنتاج خلايا شمسية رخيصة وفعالة. تبين أن بيروفسكايت ، أو تيتانات الكالسيوم ، التي تم العثور عليها لأول مرة على هيئة معدنية من قِبل الجيولوجي الألماني غوستاف روزا في جبال الأورال في عام 1839 ، وسُميت على اسم الكونت ليف ألكسيفيتش بيروفسكي ، وهو رجل دولة مجيد وجامع للمعادن ، بطل الحرب الوطنية لعام 1812 ، دور بديل السيليكون في إنتاج الخلايا الشمسية.

كمادة ، حتى وقت قريب ، كان يستخدم تيتانيت الكالسيوم على نطاق واسع فقط كعزل عازل للمكثفات الخزفية متعددة الطبقات. والآن يحاولون تطبيقه لبناء ألواح شمسية ذات كفاءة عالية ، حيث تبين أن هذه المادة تمتص الضوء تمامًا.

عادية ، طويلة التقليدية الألواح الشمسية السيليكون بسماكة 180 ميكرون ، تمتص كمية الضوء التي يستوعبها البيروفسكايت بسماكة 1 ميكرون فقط. Perovskite ، تماما مثل السيليكون ، هو أشباه الموصلات ، وينقل الشحنة الكهربائية بنفس الطريقة تقريبا تحت تأثير الضوء ، ولكن طيف الضوء المحول إلى كهرباء لـ perovskite أوسع من السيليكون.

هيكل المادة البلورية من تيتانات الكالسيوم مطابق لهيكل المعدن البيروفسكايت ، وبالتالي فإن اسمه هو نفسه. وهذه المادة هي اليوم في أحد الأماكن الرائدة في ترتيب مسارات تحسين الطاقة الشمسية.

الشيء هو أن الألواح الشمسية القائمة على السيليكون تكلف ما معدله 75 سنتًا لكل كيلوواط اليوم ، وأن الألواح الشمسية القائمة على البيروفسكايت ستخفض تكلفتها إلى 10-15 سنتًا لكل كيلوواط ، أي تكنولوجيا البيروفسكايت الشمسية في 5-7 مرات أرخص من السيليكون في إنتاج البطاريات وفي تشغيلها ، وكمية الكهرباء المنتجة هي نفسها.

وهذا على الرغم من حقيقة أن محللي صناعة الطاقة يدعون أنه بتكلفة 50 سنتًا لكل كيلو وات ، تصبح الطاقة الشمسية قادرة على المنافسة مع الوقود الأحفوري. أي أن الانتقال إلى البيروفسكيت على نطاق عالمي سوف يقلل من تكلفة إنتاج الكهرباء في بعض الأحيان ، في حين أن عملية إنتاج الألواح نفسها ستكون بسيطة للغاية.

تجرى دراسات لتقييم وتحسين كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت في العديد من البلدان: في أستراليا - مارتن جرين ، في سويسرا - مايكل جريتزل ، في الولايات المتحدة الأمريكية - هنري سانت ، فيليكس ديشلر ، يوم لومينغ ، وفي كوريا - Sok Sang Il. يعلن الباحثون بالإجماع عن التكلفة المنخفضة والكفاءة العالية للتكنولوجيا الواعدة.

يقول مايكل جريتزل أن الكفاءة التي حققها في 15 ٪ يمكن بسهولة زيادتها إلى 25 ٪ ، والخلايا الشمسية غير مكلفة من المتاحة حاليا لا تصل إلى 15 ٪. لأول مرة ، في عام 2009 ، عندما كانوا يتحدثون فقط عن إمكانات استخدام البيروفسكايت في الطاقة الشمسية ، تم الحصول على كفاءة بنسبة 3.5 ٪ ، وكانت العناصر قصيرة الأجل ، حيث إن الإلكتروليت السائل حل بيروفسكايت ، وبمجرد أن كان لدى العلماء وقت لإجراء القياسات ، توقفت البطارية عن العمل.

ومع ذلك ، بعد ثلاث سنوات ، تم استبدال الإلكتروليت السائل بسائل صلب ، وأصبحت الخلايا أكثر استقرارًا ، وتضاعفت الكفاءة أولاً ، ثم تضاعفت مرة أخرى. العديد من طبقات الركيزة الموصلة كهربائيا ، واحدة منها كانت مغلفة مع صبغة ، حل المشكلة وفتحت الاحتمال. لا تتوقف خطوات تحسين الكفاءة حتى يومنا هذا ، يستخدم العلماء ، من بين أشياء أخرى ، طرق التحسين القياسية التي عملت على تحسين سلائف السيليكون.

مايكل جريتزل متأكد من أن الكفاءة بنسبة 25٪ ستؤدي إلى ثورة في الطاقة الشمسية.يدعي مارتن جرين ، وهو أستاذ من أستراليا ، أحد رواد البحث ، أن البطاريات الخالية من السليكون بسيطة للغاية في التصنيع وفعالة للعمل ، مما لا شك فيه أن مستقبل الألواح الشمسية في بيروفسكايت مشرق ، لأن التقديرات الأولية تتنبأ بالفعل بتخفيض كبير في السعر - عند 7 الوقت.

قامت مجموعة من الباحثين من كوريا ، بقيادة سوك سانج إيل ، بتطوير تركيبة خاصة بهم عن طريق خلط بروميد الأمونيوم الرصاص مع يوديد فورميميد أمين ، حقق العلماء مثل هذا الهيكل من البيروفسكايت حيث سجلوا كفاءة قياسية بلغت 17.9 ٪. سيسمح استخدام الخليط بطباعة الخلايا الشمسية ، وسيتم تخفيض تكلفتها. تبقى المشكلة - المادة الذائبة في الماء ، بالإضافة إلى أن حجم الخلايا في الاختبارات لم يتجاوز 10 ملم مربع ، لذلك يستمر البحث.

يبدو أن عملية تصنيع خلايا بيروفسكايت الشمسية للباحثين بسيطة للغاية. يتم رش السائل ببساطة على السطح أو تطبيقه على شكل بخار ، وهو أمر بسيط للغاية لتحقيقه تقنياً. يتم تطبيق عدة طبقات من المواد على رقائق معدنية أو زجاج ، واحدة منها عبارة عن بيروفسكيت.

هناك حاجة إلى مواد أخرى هنا لتسهيل حركة الإلكترونات داخل العنصر. عملية التصنيع قريبة من المثالية. هنري سانت فيزيائي بجامعة أوكسفورد ، الذي يعمل على تطوير خلايا البيروفسكايت في الولايات المتحدة ، واثق من أن طبقات الألواح الشمسية سيتم تطبيقها بسهولة كما هو الحال مع الطلاء المنتظم على السطح.

على الرغم من الآفاق الناشئة ، تم تقسيم العلماء إلى معسكرين. فالأولى تدعو إلى تحسين بطاريات السيليكون التي أصبحت بالفعل تقليدية ، في حين أن الآخرين يدعون إلى إنشاء بطاريات جديدة تمامًا وأكثر كفاءة. لذلك ، يعتقد Martin Green أنه يمكن استخدام البيروفسكايت كإضافة إلى بطاريات السيليكون عن طريق الجمع بين السيليكون والبيروفسكايت ، وبالتالي تقليل تكلفة واط من الكهرباء المنتجة دون خسائر كبيرة في صناعة السيليكون. على النقيض من ذلك ، فإن مايكل جريتزل مقتنع بأن التطورات الجديدة مهمة وأن تكلفة زيادة كفاءة الخلايا الضوئية الجديدة ستؤتي ثمارها عدة مرات.

تعمل العديد من الشركات بالفعل على التنفيذ التجاري للمنتج ، لأنه على الرغم من حقيقة أن إمكانيات البيروفسكيت بدأت للتو في أن تتحقق ، فإن كبار الخبراء في مجال الطاقة الشمسية قد حولوا اهتمامهم بالفعل إلى المستقبل. اقتربت الشركات الأسترالية والتركية معا بنشاط من تسويق الألواح الشمسية بيروفسكايت ، ووفقا للتوقعات ، بحلول عام 2018 سيتم تقديمها في السوق العالمية.

على الرغم من تفاؤل بعض الشركات ، إلا أن التجربة توضح أن الأمر يتطلب عادة عشر سنوات لتنتقل تقنية جديدة من المختبر إلى السوق ، وخلال هذا الوقت ، قد تتفوق بطاريات السيليكون على البيروفسكايت. غريتزل ، بالمناسبة ، تبيع ترخيصًا للتكنولوجيا الجديدة للشركات التي تنوي اتباع الطريقة التقليدية للسيليكون.

المنافسة في سوق الطاقة الشمسية مرتفعة أيضًا ، ويواجهها كل لاعب جديد. يتم تخفيض تكلفة ألواح السيليكون ، ووفقًا لبعض المحللين ، يمكن أن تنخفض إلى 25 سنتًا لكل كيلوواط ، مما يحرم تمامًا فوائد تقنية البيروفسكايت.

لا يزال وجود كمية صغيرة من الرصاص في الصباغ ، وهو مادة سامة ، يمثل مشكلة. دراسات تجريبية ستكشف عن مدى سمية البيروفسكيت. يجدر الانتباه إلى التخلص من البطاريات المستعملة ، كما هو الحال مع بطاريات السيارات المبتدئة. ولكن من حيث المبدأ ، يمكن استخدام القصدير أو شيء مشابه بدلاً من الرصاص.

في هذه الأثناء ، بدأ باحثون من ولاية أوهايو بقيادة Leaming Dai ، في إنتاج السيارات الكهربائية باستخدام الألواح الشمسية perovskite. لقد طوروا المجموعة الأكثر فائدة من الألواح الشمسية مع بطاريات السيارات الكهربائية أكثر من أي وقت مضى.

من خلال توصيل أربع بطاريات من البيروفسكيت ببطارية ليثيوم ، حقق العلماء كفاءة بنسبة 7.8 ٪ في التكوين الأكثر كفاءة حتى الآن ، وهو ما تجاوز الحلول السابقة للجمع بين الخلايا الشمسية مع المكثفات الفائقة والبطاريات.

زادت الألواح متعددة الطبقات من كثافة واستقرار الطاقة المستلمة من الشمس. لقد أظهرت الاختبارات أن ثلاث طبقات من البيروفسكايت تتحول ، إذا رغبت في ذلك ، إلى فيلم واحد. مع مساحة خلية واحدة لا تزيد عن 10 مم مربع ، حقق الباحثون كفاءة قدرها 12.65 ٪ من المحول بحجم العملة ، ولكن مع مراعاة تحويل الطاقة وتخزينها ، كانت الكفاءة 7.8 ٪ في الوضع الدوري.

مثل المطورين ، سيكون بإمكانهم في المستقبل ليس فقط شحن السيارات الكهربائية ، ولكن سيتم تثبيتها أيضًا في شكل فيلم مرن على الهيئات. التكنولوجيا تبدو مثالية للسيارات الكهربائية.

رائع هو قدرة perovskite لإعادة. اكتشف فيليكس ديشلر ، عالم بجامعة كامبريدج ، أن البيروفسكيت له خاصية فريدة. عندما يدخل الضوء إلى المادة ، لا يتم تحويل طاقة الفوتون إلى كهرباء فقط ، ويتم تحويل جزء من الشحنة إلى فوتونات.

إذا تمكنت اللوحة من إعادة استخدام هذه الفوتونات ، فستصبح الطاقة المجمعة أكبر. أجرت مجموعة Deshler تجربة ركزت فيها حزمة الليزر على قسم من البيروفسكايت بسمك 0.5 ميكرون ، وأعيد إصدار الضوء في مكان آخر من العينة. السيليكون ، على سبيل المثال ، لا يملك القدرة على نقل الطاقة داخل نفسه ومن ثم ينبعث منها مرة أخرى.

وبالتالي ، فإن احتمالات البيروفسكايت هائلة ، ومن يدري ، قد يكون ذلك في وقت قريب عندما يتم تزويد كل منزل وكل سيارة ببطاريات بيروفسكايت ، لأنه سيصبح غير مربح اقتصاديًا ولا ينصح بتلويث البيئة بمنتجات احتراق الوقود الأحفوري.