نوافذ الطاقة الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت تقترب من الاستخدام العملي

نوافذ الطاقة الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت تقترب من تطبيقات المباني الواقعية

قضت الطاقة الشمسية عقودًا وهي تنخفض تكلفةً وتنتشر على نطاق أوسع بالاعتماد أساسًا على السيليكون، وهي تقنية تعمل بكفاءة كبيرة على الأسطح، لكنها أصعب في التكيّف مع الأسطح الزجاجية الشفافة في المباني. وتقول دراسة جديدة أبرزها باحثون في جامعة كوليدج لندن إن مواد البيروفسكايت قد تساعد في تغيير ذلك عبر جعل النوافذ الشمسية شبه الشفافة أكثر عملية.

تركز الدراسة، المنشورة في Advanced Energy Materials، على خلايا ووحدات شمسية شبه شفافة من البيروفسكايت صُممت لتقوم بمهمتين في وقت واحد: أن تعمل مثل الزجاج الملوّن وأن تولد الكهرباء في الوقت نفسه. وقد كان هذا الدمج هدفًا طويل الأمد للطاقة الشمسية المدمجة في المباني، لأن النوافذ تمثل مصدرًا كبيرًا لفقدان الطاقة في المباني، كما تمثل مساحة واسعة غير مستغلة بالشكل الكافي.

كانت المعضلة دائمًا هي المفاضلة. فالنوافذ الشمسية المفيدة يجب أن تسمح بدخول ما يكفي من ضوء النهار لراحة المستخدمين في الداخل، وفي الوقت نفسه تحوّل قدرًا كافيًا من ضوء الشمس إلى كهرباء لتبرير تكلفتها وتعقيدها الإضافي. ووفقًا لملخص الدراسة، يجادل فريق UCL بأن البيروفسكايت يمكنها تحقيق توازن أكثر جاذبية بين الشفافية والأداء مقارنة بالمقاربات السابقة.

لماذا تُعد النوافذ هدفًا صعبًا للطاقة الشمسية

أصبح السيليكون التقليدي المادة المهيمنة في الطاقة الشمسية لأنه ناضج وقابل للتوسع ومفهوم جيدًا. لكن قوته في الألواح المعتمة هي أيضًا ما يحده في تطبيقات النوافذ. فالزجاج الشمسي الشفاف أو شبه الشفاف يحتاج إلى منطق تصميم مختلف عن الوحدات التقليدية على الأسطح، والسيليكون ليس ملائمًا طبيعيًا لهذه المهمة.

كما جرى استكشاف مقاربات أخرى تعتمد على الأغشية الرقيقة، لكن التكلفة ظلت عائقًا. وهذا أحد الأسباب التي جعلت البيروفسكايت تحظى بكل هذا الاهتمام. فهذه المواد منخفضة التكلفة نسبيًا، ويمكن أن توسع سلسلة التوريد إلى ما هو أبعد من تصنيع السيليكون التقليدي، كما يمكن ضبطها لتناسب خصائص بصرية وكهربائية مختلفة. ومن حيث المبدأ، يجعلها ذلك مناسبة جدًا للزجاج الذي يجب أن يبدو ويؤدي وظيفة منتج معماري لا لوحًا شمسيًا تقليديًا.

ويستهدف جهد UCL هذه المنطقة الوسطى تحديدًا. فالدراسة، المعنونة “Multimodal Strategy for Efficient Semi-Transparent Perovskite Solar Cells and Modules with Record Indoor Performance,”، تصف طريقة للموازنة بين الرؤية وتحويل الطاقة بدلًا من تعظيم أحدهما على حساب الآخر فقط.

ما الذي تدعيه الدراسة الجديدة

استنادًا إلى النص المصدر المقدم، يقول الباحثون إن نافذتهم شبه الشفافة المصنوعة من البيروفسكايت يمكن أن توفر الوظيفة الأساسية نفسها التي يوفرها الزجاج الملوّن، مع توليد الكهرباء أيضًا. وهذا مهم لأن القيمة المقترحة للنوافذ الشمسية لا تقتصر على الطاقة التي تنتجها. فإذا كان الزجاج قادرًا أيضًا على المساعدة في التحكم بالوهج وكسب الحرارة كما تفعل النوافذ الملوّنة بالفعل، يصبح من الأسهل تصور هذه التقنية ضمن تصميم المباني السائد.

كما تُعرض الدراسة على أنها جهد للتوسع لا مجرد إثبات مفهوم في المختبر. وهذا مهم لأن كثيرًا من المواد الشمسية الواعدة تؤدي جيدًا في الخلايا الصغيرة، لكنها تفقد الكفاءة أو قابلية التصنيع عند توسيعها إلى وحدات أكبر. ومن خلال الحديث عن الخلايا والوحدات معًا، تشير الدراسة إلى السؤال العملي الذي واجه هذا القطاع لسنوات: هل يمكن للتقنيات الشمسية الشفافة أن تنتقل من عينات مبهرة إلى منتجات قابلة للتركيب.

ومن النقاط اللافتة أيضًا التركيز على الأداء الداخلي. فالنوافذ الشمسية تُقيَّم غالبًا فقط بناءً على سلوكها تحت ضوء الشمس المباشر في الخارج، لكن المباني تتعرض لظروف إضاءة متغيرة طوال اليوم. وقد يوسع الأداء الجيد في الداخل من حالات الاستخدام في المكاتب والواجهات التجارية والردهات ومساحات النقل وغيرها من البيئات التي يهم فيها الضوء المنتشر.

لماذا تظل البيروفسكايت من أكثر المواد متابعة في الطاقة الشمسية

أصبحت البيروفسكايت واحدة من أكثر فئات المواد متابعة في أبحاث الطاقة لأنها تقدم مزيجًا نادرًا من إمكانات التكلفة المنخفضة ومرونة التصميم. وقد استكشف الباحثون استخدامها في الوحدات الشمسية القياسية، والخلايا الترادفية المقترنة بالسيليكون، وتطبيقات أكثر تخصصًا مثل الألواح خفيفة الوزن والأسطح الشفافة.

وبالنسبة للنوافذ الشمسية، فإن هذه الخصائص جذابة بشكل خاص. فمالكو المباني لا يريدون واجهة تضحي بالراحة أو الجماليات مقابل إنتاج طاقة هامشي. ولا يريد المعماريون معدات معتمة في الموضع الذي يُفترض أن يكون فيه الزجاج. وتخلق البيروفسكايت شبه الشفافة تسوية محتملة: نافذة ما تزال تتصرف كنافذة، لكنها تسهم بقدرة توليدية ما وربما تمنح فوائد تبريد في الوقت نفسه.

وتساعد هذه الوعود في تفسير سبب بقاء الزجاج الشمسي الشفاف وشبه الشفاف هدفًا ثابتًا في أبحاث الطاقة النظيفة. فالمباني تستهلك كميات هائلة من الكهرباء، كما أن أغلفتها تحتل بالفعل المساحة الأكثر قيمة لأنظمة الطاقة المتكاملة. وإذا أمكن جعل جزء ولو بسيط من تلك المساحة الزجاجية منتجًا، فقد يكون الأثر التراكمي كبيرًا.

ما الذي يلزم حدوثه بعد ذلك

لا تعني الدراسة الأحدث أن النوافذ الشمسية على وشك استبدال الزجاج التقليدي على نطاق واسع. فما يزال على هذا المجال إثبات المتانة والجدوى الاقتصادية وثبات التصنيع والأداء طويل الأمد في بيئات التشغيل الحقيقية. وقد حدّت هذه القضايا من عدة تقنيات شمسية متقدمة قبل أن تصل إلى الاعتماد الواسع.

ومع ذلك، تكمن أهمية عمل UCL في أنه يبدو أنه يعالج المشكلة بشروط واقعية. فبدلًا من التعامل مع الشفافية كميزة استعراضية، تركز الدراسة على موازنة نفاذ الضوء وتوليد الطاقة ضمن صيغة تشبه منتجًا معماريًا حقيقيًا. وهذا هو الحد الذي يجب أن يتجاوزه هذا المجال إذا أراد الانتقال من عناوين الأبحاث إلى قرارات الشراء.

أما بالنسبة لصناعة الطاقة الشمسية الأوسع، فإن هذا التطور يشير أيضًا إلى أن الابتكار لم يعد يقتصر على زيادة الإنتاج من الألواح السطحية القياسية. فالمرحلة التالية تشمل بشكل متزايد أين يمكن دمج الطاقة الشمسية، وكيف يمكنها أداء وظائف متعددة، وكيف قد تفتح المواد غير السيليكونية أسطحًا جديدة بالكامل لتوليد الطاقة.

إذا أمكن لنوافذ البيروفسكايت الشمسية أن تجمع في النهاية بين شفافية مقبولة وإنتاج كهرباء مفيد وتصنيع قابل للتوسع، فلن تكون مجرد لمسة تصميمية متخصصة. بل ستمثل تحولًا في كيفية تصور المباني: ليس بوصفها مستهلكًا سلبيًا محاطًا بزجاج يسرّب الطاقة، بل بوصفها هياكل تشارك أسطحها الخارجية بنشاط في توليد الطاقة وإدارة الحرارة.

لماذا يهم هذا الآن

تشهد صناعة الطاقة الشمسية بالفعل توسعًا سريعًا، لكن معظم عمليات النشر ما تزال تتبع أنماطًا مألوفة. فالأسطح والتركيبات الأرضية ومحطات المرافق العامة تهيمن على المشهد. ويمكن للتقنيات التي تحول مكونات المبنى القائمة إلى أصول طاقية أن توسع موجة الاعتماد التالية من دون الحاجة إلى أراضٍ جديدة أو ممارسات بناء مختلفة بالكامل.

ولهذا السبب تكتسب هذه المحطة في البيروفسكايت أهمية حتى في المرحلة البحثية. فهي توحي بأن النوافذ الشمسية ما تزال تتحرك، ولو تدريجيًا، من مفهوم مستقبلي إلى مجموعة من مشكلات الهندسة. وفي الطاقة النظيفة، غالبًا ما يكون هذا الانتقال هو النقطة التي تبدأ عندها أهم القصص التجارية.

تعتمد هذه المقالة على تقرير من CleanTechnica. اقرأ المقال الأصلي.