يطور معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خلايا شمسية فائقة الرقة

الطاقة الشمسية هي المصدر الأكثر وفرة للطاقة في العالم ، ويمكن أن يؤدي تطوير خلايا شمسية فعالة ومستقرة إلى التخفيف بشكل كبير من أزمة الطاقة العالمية ، ويُنظر إلى تكنولوجيا الخلايا الشمسية على أنها ركيزة أساسية لانتقال الطاقة النظيفة. في المستقبل ، ستلعب الخلايا الشمسية دورًا متزايد الأهمية في التطور التكنولوجي وحياة الإنتاج ، ليس فقط على الأسطح والمزارع الشمسية ، ولكن أيضًا لتشغيل آلات الفضاء الآلي مثل الطائرات والأقمار الصناعية.

إلى جانب تطوير عمليات التصنيع للمكونات الإلكترونية لأشباه الموصلات ، شهد العالم قدرًا غير عادي من الأبحاث في الخلايا الشمسية ومجموعة واسعة من تقنيات التصنيع. من بين هذه الخلايا الشمسية ذات الخلايا الرقيقة للغاية تحمل وعدًا فريدًا في هذا المجال لأنه يمكن تطبيقها على مجموعة متنوعة من الأسطح غير المنتظمة أو المنحنية أو غير المناسبة ، ويمكن أن تقلل من استهلاك المواد ومتطلبات التصنيع ، مما يقلل التكاليف بشكل مباشر.

في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في العدد الأخير من مجلة Small Methods ، قال المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إنهم طوروا خلية شمسية فائقة الرقة يمكنها تحويل أي سطح إلى مصدر طاقة بسرعة وسهولة. تزن الخلية الشمسية ، وهي أرق من شعرة الإنسان وتلتصق بقطعة قماش ، فقط جزء من مائة من الألواح الشمسية التقليدية ولكنها تنتج 18 ضعفًا من الكهرباء لكل كيلوغرام ويمكن دمجها في أشرعة القوارب وخيام الإغاثة من الكوارث والأقمشة ، أجنحة الطائرات بدون طيار وأسطح المباني المختلفة.

يقول مايوران سارافانابافانانثام ، المؤلف الرئيسي المشارك للمقال ، إن التركيب الشمسي النموذجي على الأسطح في ولاية ماساتشوستس يبلغ حوالي 8 ، 000 واط. لتوليد نفس الكمية من الكهرباء ، لا تتطلب الألواح الكهروضوئية الخاصة بنا سوى حوالي 20 كجم (44 رطلاً) ) على سطح المنزل ".

إنشاء خلايا شمسية فائقة الرقة

سعى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وراء التكنولوجيا إلى الاستفادة من التطورات السابقة في علم المواد ، وأكمل خلية شمسية فائقة الرقة في عام 2016 ثقيلة بما يكفي للجلوس على فقاعة صابون دون أن تنكسر. تتطلب التقنيات التقليدية لتصنيع الخلايا الشمسية غرفًا مفرغة وطرقًا باهظة الثمن لترسيب البخار. هذه المرة ، لتوسيع نطاق التكنولوجيا ، تحول العلماء إلى مواد نانوية قابلة للطباعة تعتمد على الحبر الإلكتروني لتبسيط العملية.

خلايا شمسية فائقة الرقة

في غرفة نظيفة بالنانو ، استخدم الباحثون غلافًا بالبثق لإيداع طبقات من المواد الإلكترونية النانوية على ركيزة بسمك 3 ميكرون ، تليها طباعة الشاشة لطباعة الأقطاب الكهربائية وإكمال الوحدة الشمسية ، تليها تقشير الوحدة المطبوعة ، التي يبلغ سمكها حوالي 15 ميكرون ، من الركيزة البلاستيكية لتشكيل وحدة جهاز شمسي خفيف للغاية. لكن هذه الوحدة الشمسية النحيفة القائمة بذاتها يصعب التعامل معها وتمزق بسهولة ، مما يجعل من الصعب نشرها.

لذلك قام الباحثون بتقشير الوحدة ولصقها على ركيزة من القماش توفر القوة الميكانيكية اللازمة لمنع التمزق. تزن الركيزة خفيفة الوزن والمرنة ، القائمة على المادة المركبة Dyneema ، 13 جرامًا فقط لكل متر مربع ويمكن أن تلتصق بالخلايا الشمسية بها. من خلال إضافة طبقة من لاصق المعالجة بسماكة بضعة ميكرونات فقط ، يمكن ربط الوحدات الشمسية بـ Dyneema ، مما ينتج عنه هيكل شمسي قوي وخفيف الوزن للغاية.

أداء ممتاز وآفاق تطبيق واسعة

يبلغ سمك هذا النظام الكهروضوئي النسيجي المتين 50 ميكرون ويزن أقل من 1 جرام من مساحة الوحدة (ما يعادل كثافة منطقة تبلغ 105 جم / م 2). أظهرت الاختبارات التجريبية أن الخلايا الشمسية الرقيقة جدًا القائمة بذاتها يمكنها إنتاج 730 واط لكل كيلوغرام ، وإذا تم ربطها بنسيج "Power Horse" عالي القوة ، فيمكنها أيضًا تحقيق قوة محددة تبلغ 370 واط لكل كيلوغرام ، 18 مرة أن الخلايا الشمسية التقليدية. إن دمج الوحدات فائقة النحافة في النسيج المركب يجعلها مرنة ميكانيكياً وتحتفظ هذه الأنظمة الكهروضوئية النسيجية بأدائها بعد 500 دورة لف ، مع أكثر من 90 بالمائة من قدرتها الأولية على توليد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تمديد طريقة إنتاج الخلايا هذه لإنتاج خلايا مرنة بمساحات أكبر.

رسم توضيحي: وحدة OPV وجهاز Parylene منفصل. أ) صورة لوحدة OPV المكتملة على ركيزة PET. ب) خصائص الجهد الحالي لجهاز التحكم (PET-IMI ، PET-AgNW) و Parylene على جهاز PET قبل وبعد الانفصال عن حامل PET.

أعطت الخلايا الشمسية فائقة الرقة زخماً للبحث عن مصادر طاقة بديلة. نظرًا لأن هذه الخلايا الشمسية رقيقة جدًا وخفيفة ، فيمكن لصقها على العديد من الأسطح المختلفة. على سبيل المثال ، يمكن دمجها في أشرعة القوارب لتوفير الطاقة في البحر ، أو الالتزام بالخيام والأغطية المنتشرة في عمليات التعافي من الكوارث ، أو تطبيقها على أجنحة الطائرات بدون طيار لتوسيع نطاق رحلاتها. يمكن أيضًا دمج تقنية الطاقة الشمسية خفيفة الوزن هذه بسهولة في البيئة المبنية وقد يكون لها تأثير كبير على التصميم والتشييد المستقبلي لصناعة البناء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تشغيل هذه الخلايا الشمسية المحمولة كهياكل طاقة يمكن ارتداؤها أثناء التنقل ، أو يمكن نقلها ونشرها بسرعة في المناطق النائية لتقديم المساعدة في حالات الطوارئ.

تحديات مستقبلية

يقول الباحثون إنه على الرغم من أن خلاياهم الشمسية أخف وزنًا وأكثر مرونة من الخلايا التقليدية ، إلا أنها تحتاج إلى تغليفها بمادة أخرى لحمايتها من البيئة. ويمكن تغيير المادة العضوية القائمة على الكربون المستخدمة في صنع هذه الخلايا من خلال التفاعل مع الرطوبة والأكسجين في الهواء ، مما قد يقلل من أداء الخلايا.

الصورة: خلايا شمسية فائقة الرقة قيد الاختبار

وفقًا لـ Jeremiah Mwaura ، عالم الأبحاث في مختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن تغليف هذه الخلايا الشمسية بزجاج ثقيل ، كما هو معتاد في خلايا السيليكون الشمسية التقليدية ، من شأنه أن يقلل من قيمة التطورات الحالية ، لذلك يقوم الفريق حاليًا بتطوير عبوات رقيقة للغاية حلول لمعالجة تدهور الخلايا من التأثيرات البيئية ، والتي من شأنها أن تضيف فقط أجهزة خفيفة الوزن للغاية بجزء صغير من الوزن.

وأضاف إرميا مورا: "نحاول إزالة أكبر قدر ممكن من المواد غير الشمسية النشطة ، مع الاحتفاظ بشكل وأداء هذه الهياكل الشمسية فائقة الخفة والمرنة. نحن نعلم ، على سبيل المثال ، أن عملية التصنيع يمكن أن تكون أكثر تم تبسيطها من خلال طباعة ركائز قابلة للإصدار ، بما يعادل العملية التي نستخدمها لإنشاء الطبقات الأخرى في أجهزتنا. سيؤدي ذلك إلى تسريع ترجمة هذه التقنية إلى السوق ".

مع استمرار تطور مستوى العلم والتكنولوجيا ، سيستمر اكتشاف واستخدام مجموعة متنوعة من المواد والتقنيات ومصادر الطاقة الجديدة بالتأكيد في دفع تطوير تطبيقات الخلايا الشمسية. ستخلق الخلايا الشمسية فائقة الرقة أيضًا قيمة أكبر للمجتمع في المستقبل القريب.