خلايا شمسية شفافة فائقة الرقة تلمّح إلى نوافذ تولّد الطاقة

قد يكون حلٌّ عمره طويل لمشكلة تصميم الطاقة الشمسية يقترب من إجابة حضرية

يقول باحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة إنهم طوّروا خلايا شمسية بيروفسكايت فائقة الرقة وشبه شفافة يمكن، في نهاية المطاف، تركيبها مباشرة على النوافذ. ووفقًا للنص المصدر المقدم، فإن هذه الخلايا أرق بنحو 10,000 مرة من شعرة الإنسان، وأرق بنحو 50 مرة من الخلايا الشمسية البيروفسكايت التقليدية، ومع ذلك ما زالت تحتفظ ببعض أعلى الكفاءات التي جرى الإبلاغ عنها حتى الآن ضمن هذه الفئة فائقة الرقة.

من السهل فهم ما يعد به هذا العمل. المدن تستهلك كميات هائلة من الكهرباء، لكنها تفتقر إلى المساحة اللازمة للألواح الشمسية القياسية. الأسطح تساعد، لكنها محدودة. الأحياء الحضرية الكثيفة نادرًا ما تتوافر فيها أراضٍ فارغة لمزارع شمسية كبيرة. واجهات المباني توفر مساحة سطحية، لكن الألواح التقليدية ضخمة وثقيلة ومزعجة بصريًا. لطالما نُظر إلى الأجهزة الشمسية الشفافة أو شبه الشفافة بوصفها إحدى الطرق المحتملة لتحويل كل هذا الزجاج غير المستغل إلى بنية تحتية منتجة للطاقة. وكانت المشكلة هي الأداء.

تعمل الخلايا الشمسية عبر امتصاص الضوء. أما النوافذ، بحكم تعريفها، فمن المتوقع أن تنقله. وكلما أصبحت الأجهزة الشمسية أكثر شفافية، أصبح جمع ما يكفي من الطاقة لجعلها مفيدة أكثر صعوبة. وتكمن أهمية عمل فريق NTU في أنه يحاول دفع هذه الموازنة نحو اتجاه أكثر عملية.

لماذا تهمّ الرقة في المباني الحقيقية

يؤكد النص المصدر أن الأنظمة الشمسية التجارية ليست مجرد طبقات كهروضوئية. فهي تشمل أيضًا زجاجًا واقيًا سميكًا، ومواد تغليف، ووصلات معدنية، وعتاد تثبيت، وإطارًا إنشائيًا. يزن اللوح السكني النموذجي نحو 18 إلى 23 كيلوغرامًا ويولد نحو 350 إلى 450 واط في الظروف المثالية. وهذا يعمل جيدًا على الأسطح المصممة لتحمل مثل هذه الأنظمة، لكنه يصبح أصعب بكثير في تصوره على مستوى ناطحات السحاب.

قد تستهلك برج مكاتب حديثة عدة غيغاواط-ساعة من الكهرباء سنويًا. وحتى إذا أراد مطوّر عقاري تعويض جزء مهم من هذا الطلب بالألواح التقليدية، فهناك حدود فيزيائية صارمة لمواضع تركيب هذه الألواح وكمية الوزن أو التغيير في الواجهة التي يمكن للهيكل تحمّلها. وفي هذا السياق، توفر الخلايا الكهروضوئية فائقة الرقة المثبتة على النوافذ مسارًا مختلفًا. قد لا تحل محل كل التركيبات الشمسية الأخرى، لكنها تستطيع تحويل سطح سلبي إلى سطح نشط.

كما يذكر النص المصدر استخدامات محتملة أخرى إلى جانب زجاج المكاتب: الواجهات الزجاجية، والنظارات الذكية، والأسقف الزجاجية للسيارات، وغيرها من الأسطح المعرضة للشمس التي لا تسهم اليوم إلا قليلًا أو لا تسهم إطلاقًا في إنتاج الطاقة. هذه المجموعة الواسعة من التطبيقات مهمة لأنها تشير إلى أن التقنية لا تُطوَّر فقط من أجل لافتات معمارية. بل قد تناسب بيئات تصميم متعددة يهم فيها الوزن والمرونة والشفافية معًا.

الپيروفسكايت ما زال جذابًا لكنه صعب

يعتمد عمل NTU على مواد البيروفسكايت، وهي فئة من المواد التي جذبت اهتمامًا كبيرًا بسبب إمكاناتها الشمسية. يمكن لأجهزة البيروفسكايت أن تكون خفيفة وقابلة للضبط بدرجة عالية، ما يجعلها مرشحة قوية لأشكال يصعب على السيليكون التقليدي تلبيتها. لكنها تواجه أيضًا عقبات عملية، منها التوازن بين الشفافية وتحويل الطاقة.

يصف النص المصدر خلايا NTU بأنها شبه شفافة، لا غير مرئية بالكامل بالمعنى المعتاد، وهذه توضيح تقني مهم. فالشباك المفيد في توليد الطاقة لا يحتاج على الأرجح إلى الاختفاء بصريًا تمامًا؛ بل يحتاج إلى حل وسط مقبول بين نفاذ الضوء وتوليد الكهرباء. وما يجعل النتيجة المعلنة لافتة هو الادعاء بأن الأجهزة تحافظ على بعض أعلى الكفاءات التي جرى الإبلاغ عنها حتى الآن ضمن هذه الفئة فائقة الرقة جدًا.

هذه الصياغة مهمة لأنها تضع الإنجاز في إطاره الصحيح. فهو لا يُقدَّم بوصفه بديلًا جاهزًا للسوق عن الوحدات القياسية المثبتة على الأسطح. بل يُقدَّم بوصفه تقدمًا ذا معنى في فئة شديدة التحدي من التصميم الكهروضوئي، موجهة إلى أسطح تكون فيها الوحدات التقليدية غير عملية في كثير من الأحيان.

الطريق من النموذج الأولي إلى أفق المدينة لا يزال طويلًا

كما هو الحال في كثير من قصص المواد الواعدة، فإن القفزة من نتيجة المختبر إلى النشر واسع النطاق ما زالت كبيرة. والنص المصدر المقدم حذر في هذا الشأن. فهو يقول إن البحث “قد يمهد في نهاية المطاف” الطريق لنوافذ تولد الطاقة ومنتجات مشابهة. وهذه الصياغة مناسبة. فمنتجات البناء الحضري تواجه متطلبات صارمة تتعلق بالمتانة، واتساق التصنيع، والتكلفة، ومقاومة العوامل الجوية، والاندماج مع الأنظمة القائمة.

ومع ذلك، فإن القيمة الاستراتيجية لهذا العمل حقيقية. فإزالة الكربون في المدن لا تعني فقط بناء مزيد من منشآت الطاقة المتجددة بعيدًا عن مراكز السكان. إنها تعني أيضًا إيجاد طرق جديدة لاستخدام الأسطح المدمجة بالفعل في الحياة اليومية. الزجاج موجود في كل مكان في العمارة الحديثة، والنقل، والمنتجات الاستهلاكية. وأي تقنية كهروضوئية تصبح رقيقة وخفيفة ومقبولة بصريًا بما يكفي لهذه السياقات ستوسع خريطة الأماكن التي يمكن أن تعيش فيها الطاقة الشمسية.

لذلك يقع بحث NTU عند تقاطع علم المواد والتصميم الحضري. وهو يسأل عمّا إذا كان يمكن دمج توليد الطاقة بسلاسة أكبر في البيئات التي تتعامل حاليًا مع الشفافية والكهرباء بوصفهما وظيفتين منفصلتين.

الفكرة الأوسع هي التوليد الموزع من دون عتاد ضخم

لم يكن من الصعب فهم جاذبية الخلايا الشمسية الشفافة أو شبه الشفافة. وكانت الصعوبة دائمًا في جعلها رقيقة بما يكفي، وفعالة بما يكفي، وقابلة للتكيف بما يكفي لتبرير استخدامها الفعلي. إن النتيجة التي أعلنها فريق NTU لا تحسم هذه الأسئلة، لكنها تدفعها إلى الأمام عبر إظهار أن الخلايا البيروفسكايت فائقة الرقة يمكن أن تبقى قادرة على نحو مفاجئ ضمن فئة يتآكل فيها الأداء غالبًا بسرعة.

إذا استمر هذا التقدم، فقد لا يكون التغيير الأهم جماليًا بل بنيويًا. فقد تبدأ المباني والمركبات والأسطح القابلة للارتداء في إنتاج جزء من كهربائها على الأقل من دون الاعتماد على الأشكال التقليدية للألواح. وبالنسبة للمدن التي تكافح للتوفيق بين الطلب على الطاقة وقيود المساحة، سيكون ذلك تغييرًا تصميميًا مهمًا.

• يقول باحثو جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة إنهم طوروا خلايا شمسية بيروفسكايت فائقة الرقة وشبه شفافة.
• تُوصف الخلايا بأنها أرق بنحو 10,000 مرة من شعرة الإنسان.
• يستهدف العمل دمجها في النوافذ والأسطح الأخرى التي تكون فيها الألواح التقليدية غير عملية.
• الأجهزة المعلنة تحتفظ بكفاءة عالية بشكل غير معتاد ضمن فئة الأجهزة فائقة الرقة.
• قد يدعم هذا البحث مستقبلًا النوافذ والواجهات وزجاج المركبات التي تولد الكهرباء.

هذه المقالة مبنية على تقرير نشره موقع New Atlas. اقرأ المقال الأصلي.