تقنية جديدة قد تحدث ثورة في مجال الطاقة الشمسية

طورت شركة “تانديم بي في” تكنولوجيا جديدة في صناعة الطاقة الشمسية تتميز بكفاءة أعلى وتكلفة أقل مقارنة بالتكنولوجيا الحالية، وتسمح بإنتاج طاقة شمسية أكثر مما قد يساهم في انتشار واسع لهذا المصدر البديل للطاقة.

وقال موقع “أويل برايس” الأمريكي في تقرير ترجمته “عربي21”: إنه بينما تدفع الحكومات حول العالم نحو التحول الأخضر، فإن الشركات تستثمر بكثافة في البحث والتطوير في طرق مبتكرة لتحسين إنتاج الطاقة المتجددة. وتعمل التقنيات الجديدة على جعل مشاريع الطاقة المتجددة التقليدية، مثل مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، أكثر كفاءة بكثير، حيث تقوم الشركات ببناء ألواح أقوى وتوربينات أكبر.

ويعتقد أحد الفرق الألمانية حاليا أنه توصل إلى نظام جديد لجمع الضوء يمكن أن يزيد من إنتاج الطاقة الشمسية بشكل كبير.

وتعتمد الألواح الشمسية التقليدية على خلايا شمسية من السيليكون تمتص الضوء عبر الطيف المرئي بأكمله، ولكن بشكل ضعيف، ويجب أن تكون هذه الخلايا الشمسية بسماكة عدة ميكرومترات لتتمكن من امتصاص ما يكفي من البروتونات لتوليد الكهرباء، وهذا يجعلها ثقيلة ومكلفة ويصعب وضعها في مساحات صغيرة، في المقابل، فإن الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، التي تتكون من أصباغ عضوية، أرخص وأخف وزنا، ولا يتجاوز سمكها 100 نانومتر، لكنها قادرة على امتصاص جزء صغير من الطيف الشمسي، وقد ظل العلماء يبحثون لسنوات عن حل، بهدف جعل الألواح الشمسية أكثر كفاءة مع الحفاظ على انخفاض الوزن والتكلفة.

والآن، يعتقد العلماء في جامعة فورتسبورغ في بافاريا بألمانيا أنهم ربما اكتشفوا البنية اللازمة لتعزيز إنتاج الطاقة الشمسية. وقد نشر الباحثون مؤخرًا دراسة في مجلة “كيم” توضّح استخدام نظام “يو آر بي بي” الذي يرمز إلى الأشعة فوق البنفسجية والحمراء والأرجوانية والزرقاء، الذي يعتمد على هوائيات التمثيل الضوئي في النباتات والبكتيريا القادرة على جمع أشعة الشمس بكفاءة.

ويُستخدم هذا النموذج أربعة أصباغ مختلفة في تكوين دقيق يسمح لها بجمع الضوء بكفاءة عبر الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء.

وأشار الموقع إلى أن فريق الباحثين تمكن خلال مرحلة الاختيار من تحويل 38 بالمئة من الضوء الوارد إلى طاقة مفيدة، بينما تمكنت الأصباغ الأربعة بمفردها من تحويل أقل من 1 بالمئة إلى 3 بالمئة كحد أقصى.

وأوضح أستاذ الكيمياء في جامعة يوهانس جوتنبرج، فرانك فورتنر، أن هذا النظام يمتلك بنية مشابهة لبنية أشباه الموصلات غير العضوية، وهذا يعني أنه يمتص الضوء بشكل شامل عبر النطاق المرئي بأكمله ويستخدم معاملات الامتصاص العالية للأصباغ العضوية، ونتيجة لذلك، يمكنه امتصاص قدر كبير من الطاقة الضوئية في طبقة رقيقة نسبيا، على غرار أنظمة جمع الضوء الطبيعية.

وسيكون التحدي التالي توسيع نطاق العملية للاستخدام التجاري، وبينما نجحت التقنية في إنتاج الطاقة في بيئة مختبرية، إلا أن هناك دائما تحديات أكبر عندما يتعلق الأمر باستخدام تقنية جديدة في بيئة حقيقية.

وهذه هي أحدث تقنية يتم اختبارها حول العالم بهدف تعزيز إنتاج الطاقة الشمسية، وتستثمر الشركات في جميع أنحاء العالم بكثافة في البحث والتطوير في قطاع الطاقة الشمسية، مدفوعةً بمستويات أعلى من التمويل العام والحوافز المالية، مثل الإعفاءات الضريبية، والحاجة إلى تعزيز قدرة الطاقة المتجددة في العالم للحد من استهلاك الوقود الأحفوري.

وقد حقق إنتاج الطاقة الشمسية قفزات كبيرة في العقد الماضي، إذ زادت كفاءة الألواح الشمسية من حوالي 17 بالمئة في سنة 2012 إلى حوالي 29 بالمئة حاليا، بينما انخفضت تكاليف الإنتاج وكذلك سعر الواط الواحد من الألواح الشمسية من حوالي 5 دولارات في سنة 2000 إلى أقل من 50 سنتا اليوم.

وأوضح الموقع أن الطاقة الشمسية الكهروضوئية تعد مصدر الطاقة الأسرع نموا على مستوى العالم، وفقا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة، حيث نمت بنحو 26 ضعفا منذ سنة 2010. وبحلول نهاية سنة 2022، بلغت السعة الإجمالية للطاقة الشمسية الكهروضوئية المثبتة عالميًا 1,047 غيغاوات، مع إضافة 191 جيجاوات في سنة 2022 وحده.

وفي وقت سابق من هذه السنة، نشر باحثون أتراك دراسة تُظهر إمكانية وجود بنية خلايا شمسية كهروضوئية شبه كروية يعتقدون أنها يمكن أن تمتص ما يصل إلى 66 بالمئة من الضوء أكثر من الألواح المسطحة التقليدية. ويتطلع الفريق الآن إلى إنتاج نموذج أولي لاختبار هذه التقنية التي بدت واعدة في المحاكاة الحاسوبية.

هناك أيضا تفاؤل بشأن استخدام خلايا شمسية من مادة البيروفسكايت، بفضل أدائها العالي وتكاليف إنتاجها المنخفضة. وقد أظهرت الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت تقدماً كبيراً في السنوات الأخيرة، ما شجّع وزارة الطاقة الأمريكية وغيرها من المؤسسات العامة والخاصة في جميع أنحاء العالم على الاستثمار بكثافة في تحسين تكنولوجيا الخلايا الشمسية البوليمرية.

وحتى الآن، أجريت معظم اختبارات خلايا البيروفسكايت الشمسية في بيئة مختبرية، إلا أن فريقًا من الباحثين في الولايات المتحدة الأمريكية، بقيادة جامعة نورث كارولينا الشمالية، ينقل الاختبارات إلى أرض الواقع. وقد نجح مركز تقنيات البيروفسكايت الكهروضوئية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في استخدام التكنولوجيا في الهواء الطلق لمدة 29 أسبوعًا وتحقيق كفاءة تشغيلية تزيد عن 16 بالمئة.
وأكدت لورا شيلهاس، الباحثة الكيميائية في المختبر الوطني للطاقة المتجددة، أن العرض الواقعي خطوة حاسمة نحو التسويق التجاري.