الخلايا الشمسية فائقة النحافة

توصل الباحثون في معهد ماساتشوستس للتقنية إلى أنحف وأخف خلايا شمسية تم إنتاجها على الإطلاق. وعلى الرغم من أن تطويرها إلى منتج تجاري قد يستغرق سنوات، فإن إثبات صحة المفهوم مختبريا يدل على التوصل إلى منهج جديد لتصنيع الخلايا الشمسية التي يمكن أن تساعد في توفير الطاقة للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
ووفقا للبيان الصادر في هذا الصدد يرى كل من "فلاديمير بولوفيتش" الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتقنية، وعالم الأبحاث "آني وانج"، وطالب الدكتوراه "جويل جان" أن الحل يكمن في تصنيع الخلايا الشمسية، والركيزة التي تدعمها، وطبقة الطلاء الواقية من العوامل البيئية في عملية واحدة. والخطوة المبتكرة هي التوصل إلى إمكانية تطوير الركيزة في وقت تطوير الجهاز.
وحسب البيان فإن المقصود بمنهج عملية التصنيع الواحدة هو عدم معالجة الركيزة أو تنظيفها أو إزالتها من الحجرة الفراغية خلال عملية التصنيع ما يقلل بشكل كبير من احتمالات التعرض للملوثات التي قد تؤدي إلى تدهور الأداء. وقد استخدم فريق العمل لكل من الركيزة والطلاء الواقي «بوليمر» مرنا شائعا يسمى الباريلين - طلاء بلاستيكي متوافر تجاريا ويستخدم لحماية الأجهزة الطبية الحيوية المزروعة ولوحات الدوائر المطبوعة من التلف بسبب العوامل البيئية - ومادة عضوية تسمى DBP تشكل الطبقة الأساسية لامتصاص الضوء.
وبخلاف عملية تصنيع الخلايا الشمسية التقليدية التي تتطلب درجات حرارة عالية ومواد كيماوية قوية، تتم هذه العملية في حجرة فراغية في درجة حرارة الغرفة ودون استعمال المذيبات. ويتم تطوير كل من الركيزة والخلايا الشمسية على حد سواء باستخدام تقنيات ترسيب البخار المعروفة. ووفقا لفريق العمل فإن المواد المستخدمة في إثبات صحة المفهوم كانت مجرد أمثلة، وإن عملية تصنيع الركيزة المستحدثة هي الابتكار الرئيس.
ويمكن استخدام مواد مختلفة لتصنيع الركيزة وطبقات التغليف، كما يمكن استخدام أنواع مختلفة من مواد أغشية الخلايا الشمسية الرقيقة - بما في ذلك نقاط الكم أو أكاسيد الأملاح "perovskites" - بدلا من الطبقات العضوية المستخدمة في الاختبارات الأولية.
وأثناء إثبات صحة المفهوم استخدم فريق العمل غشاء مرنا من الباريلين يبلغ سمكه عشر سمك غشاء تغليف الطعام التقليدي وتم تثبيته على الزجاج لتكون المادة الحاملة أكثر قوة. وقد شكل إتقان الفصل النظيف للغشاء الرقيق من الزجاج تحديا خاصا حسب تصريحات "وانج" الذي يتمتع بخبرة كبيرة في العمل مع الباريلين. وبعد عملية التصنيع رفع العلماء جميع خلايا الباريلين الشمسية من المادة الحاملة باستخدام إطار مصنوع من غشاء مرن.
ويبلغ سمك المنتج النهائي الرقيق جدا فقط واحدا على 50 من سمك شعرة من الشعر البشري وواحدا على الألف من سمك الخلايا المماثلة المثبتة على ركائز الزجاج التي يبلغ سمكها اثنين ميكرومترين. ومع ذلك فإن هذه الخلايا تحول ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة نظائرها المثبتة على الزجاج.
وقد أكد فريق العمل أن المواد المستخدمة في إثبات صحة المفهوم كانت مجرد أمثلة وأن عملية تصنيع الركيزة المستحدثة هي الابتكار الرئيس. ويمكن استخدام مواد مختلفة لتصنيع الركيزة وطبقات التغليف، كما يمكن استخدام أنواع مختلفة من مواد أغشية الخلايا الشمسية الرقيقة - بما في ذلك نقاط الكم أو أكاسيد الأملاح perovskites - بدلا من الطبقات العضوية المستخدمة في الاختبارات الأولية.
وقد نجح العلماء في كوريا الجنوبية أيضا في تصنيع وحدات طاقة شمسية رقيقة جدا ومرنة بما يكفي للالتفاف حول قلم رصاص عادي. ويمكن للخلايا الشمسية القابلة للانحناء تشغيل الإلكترونيات التي يمكن ارتداؤها مثل أجهزة تتبع اللياقة البدنية والنظارات الذكية. وقد اختبر الباحثون كفاءة الجهاز في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ووجدوا أنه مشابه للخلايا الضوئية المماثلة الأكثر سمكا. وقد نفذوا اختبارات الانحناء ووجدوا أن الخلايا يمكن أن تلتف حول دائرة صغيرة يبلغ نصف قطرها 1.4 ملليمتر.
وقد لا تتحقق الانطلاقة الحقيقية إلا بعد سنوات من التطوير واسع النطاق، ولكن هذا المنهج الجديد في تصنيع الخلايا الشمسية يمكن أن يكون أساسيا في توفير الطاقة للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية المحمولة.