مشكلة وضع الطاقة الشمسية في الفضاء
تتعرض الألواح الشمسية في المدار المنخفض حول الأرض لشيء لا تواجهه أي منشأة أرضية: تقلبات درجات حرارة عنيفة، تتراوح من حرارة الشمس المباشرة القاسية إلى البرد العميق في ظل الأرض كل 90 دقيقة. يمكن أن تتقلب درجات الحرارة من -80°C إلى +80°C في فترة زمنية قصيرة، مما يخلق ضغوطاً ميكانيكية تؤدي إلى تدهور مواد الخلايا الشمسية التقليدية بسرعة أكبر بكثير مما يحدث على الأرض.
بالنسبة لخلايا البيروفسكيت الشمسية - وهي فئة من مواد الكهروضوئية التي جذبت اهتماماً بحثياً هائلاً بسبب كفاءتها العالية وتكلفة التصنيع المنخفضة - كان عدم الاستقرار الحراري هذا عقبة حرجة. الآن، وجد فريق من الباحثين في جامعة لودفيج ماكسيميليان بميونخ في ألمانيا طريقة للتعامل معها، وأنتجوا خلية شمسية من البيروفسكيت لا تتحمل فقط عذاب الظروف الفضائية المحاكاة بل تظهر بكفاءة تحويل طاقة تتجاوز 26%.
حدود الحبيبات: الحلقة الضعيفة
لفهم النقطة الرئيسية يتطلب فهم أين تفشل خلايا البيروفسكيت الشمسية تحت الضغط الحراري. تتكون طبقة البيروفسكيت في هذه الخلايا من حبيبات بلورية صغيرة، والحدود بين تلك الحبيبات عرضة للضعف الميكانيكي. عندما تسخن الخلية وتبرد، تتمدد مادة البيروفسكيت والركيزة الزجاجية الأساسية بمعدلات مختلفة. عدم التطابق هذا يخلق ضغطاً يتركز على حدود الحبيبات وعند الواجهة بين فيلم البيروفسكيت والزجاج أدناه.
بمرور الوقت، تسبب الدورات الحرارية المتكررة في انتشار الشقوق الدقيقة، وتراكم العيوب، وتدهور الأداء. آلية التدهور هذه مفهومة جيداً، لكن حلها أثبت أنه صعب لأن الإصلاحات التي تحسن الاستقرار الميكانيكي غالباً ما تضر بالأداء الكهربائي.
هاجم فريق LMU الموقعين الضعيفين في نفس الوقت. أثناء تشكيل الفيلم، قاموا بدمج حمض ألفا-ليبويك، وهي مادة تتبلمر عبر حدود الحبيبات مع تشكيل الفيلم، وتخيط في الأساس شبكة البلورات معاً بسقالة جزيئية مرنة. هذا يقلل من كثافة العيوب عند واجهات الحبيبات مع الحفاظ على الخصائص الكهربائية لمادة البيروفسكيت.
تثبيت الفيلم على الركيزة
تناول التدخل الثاني الواجهة بين طبقة البيروفسكيت والركيزة الزجاجية. طبق الباحثون مشتقاً جزيئياً قائماً على السلفونيوم يرسخ كيميائياً فيلم البيروفسكيت إلى سطح الركيزة، مما يخلق ما يصفونه بشبكة مثبتة تسمح للطبقات بالتحرك معاً كوحدة واحدة أثناء التمدد والانكماش الحراري، بدلاً من الانفصال.
معاً، تخلق التعديلات الاثنتان بنية معززة في الأماكن التي يسبب فيها الضغط الحراري أكثر الضرر. في الاختبار، تعرضت الخلايا لـ 16 دورة حرارية قاسية بين -80°C و +80°C - ظروف اختيرت لمحاكاة البيئة الحرارية للقمر الصناعي في المدار المنخفض حول الأرض.
كانت النتائج مذهلة. احتفظت الخلايا المعززة بحوالي 84% من كفاءتها الأولية بعد اختبار 16 دورة. عانت خلايا المرجع غير المعدلة من خسائر أكبر بكثير على نفس البروتوكول. وصلت كفاءة تحويل الطاقة للخلايا المعززة إلى 26% - تقريباً 3 نقاط نسبة مئوية أعلى من خلايا المرجع، وهامش كبير في مجال تطوير الخلايا الشمسية الذي يتسم بالمنافسة الشديدة.
لماذا هذا مهم للفضاء والأرض
التطبيق الفضائي واضح: خلايا شمسية من البيروفسكيت خفيفة الوزن وعالية الكفاءة يمكنها تحمل التقلبات الحرارية المدارية ستكون تحويلية لأنظمة طاقة الأقمار الصناعية. الخلايا الشمسية المؤهلة للفضاء الحالية تتكون بشكل أساسي من تصاميم gallium arsenide متعددة الوصلات التي تتمتع بكفاءة عالية جداً لكنها مكلفة جداً في التصنيع. يتم صنع خلايا البيروفسكيت من مواد وفيرة على الأرض باستخدام عمليات منخفضة التكلفة نسبياً. إذا أمكن إثبات موثوقيتها في ظروف الفضاء، فيمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة الطاقة الشمسية للأقمار الصناعية والبنية التحتية المدارية.
لا تقتصر الآثار على المدار. غالباً ما تكون التطبيقات القائمة على الفضاء بمثابة أرضيات اختبار للمواد والنهج الهندسية التي تجد في النهاية طريقها إلى المنتجات الأرضية. خلية البيروفسكيت المصممة لتحمل تقلبات حرارية بمدى 160 درجة في الفراغ ستتحمل بكل تأكيد التقلبات الحرارية الأخف التي يعاني منها لوح شمسي على السطح في مينيسوتا أو نظام شمسي متكامل في السيارة في مناخ صحراوي.
وصف تكنولوجيا البيروفسكيت الشمسية طويلاً بأنها جاهزة تقريباً للتسويق التجاري. كسرت خلايا البحث بشكل متكرر أرقام الكفاءة في ظروف المختبر، لكن المتانة في البيئات الحقيقية تخلفت. الدراسات مثل هذه من LMU تمثل العمل الهندسي المنهجي المطلوب لإغلاق هذه الفجوة - معالجة أنماط الفشل المحددة بحلول جزيئية موجهة بدلاً من الأمل في أن تصبح المادة الأساسية أكثر قوة بنفسها.
الطريق إلى التسويق التجاري
نشر فريق LMU نتائجهم في Nature Communications، مما وفر المجتمع العلمي بكل من النهج التقني والبيانات التجريبية اللازمة لتكرار وبناء العمل. كان المؤلف الرئيسي Erkan Aydin واضحاً حول ما تعنيه النتائج: "هذا يقربنا خطوة واحدة من جعل هذه التكنولوجيا قابلة للتطبيق في التطبيقات الحقيقية."
سيتطلب التسويق التجاري لا تزال تحجيم عملية التعزيز الجزيئي المزدوج لإنتاج واسع النطاق، والتحقق من الأداء على مدى آلاف بدلاً من ستة عشر دورة حرارية، وإثبات احتفاظ الأداء تحت ضغط الرطوبة والأشعة فوق البنفسجية والكهربائية في نفس الوقت. لكن تحقيق الاستقرار الحراري وعتبة كفاءة 26% معاً يشير إلى علامة فارقة ذات مغزى في الرحلة الطويلة من الاختراق في المختبر إلى تكنولوجيا الطاقة النظيفة العالمية.
تستند هذه المقالة إلى تقارير من PV Magazine. اقرأ المقالة الأصلية.
