تقنية جديدة قد تحدث ثورة في مجال الطاقة الشمسية

• طور باحثون في ألمانيا تصميمًا جديدًا لخلية شمسية يستخدم أصباغ عضوية لالتقاط مجموعة أوسع من أشعة الشمس.
• نجحت نظام URPB في تحقيق كفاءة تحويل طاقة بنسبة 38% في اختبارات المختبر، بالمقارنة مع 1% للأصباغ العضوية التقليدية.
• تتمتع هذه التقنية بإمكانية ثورية في إنتاج الطاقة الشمسية من خلال خلق لوحات شمسية أكثر رقة وخفة وكفاءة.

مع دفع الحكومات في جميع أنحاء العالم نحو الانتقال الأخضر، تعمل الشركات في جميع أنحاء العالم على استثمارات ضخمة في البحث والتطوير لايجاد طرق مبتكرة لتحسين إنتاج الطاقة المتجددة. تقنيات جديدة تجعل مشاريع الطاقة المتجددة التقليدية، مثل مزارع الطاقة الشمسية والرياح، أكثر كفاءة حيث تقوم الشركات ببناء لوحات أقوى وأجهزة توربين أكبر. الآن، يعتقد فريق ألماني أنه وجد نظامًا جديدًا لجمع الضوء يمكن أن يزيد إنتاج الطاقة الشمسية بشكل كبير.

تعتمد اللوحات الشمسية التقليدية على خلايا شمسية تعتمد على السيليكون تمتص الضوء عبر الطيف المرئي بأكمله، لكن بضعف الامتصاص. يجب أن تكون هذه الخلايا الشمسية بسماكة عدة ميكرٌمترات لتمكنها من امتصاص كفاية من البروتونات لتوليد الكهرباء. هذا يجعلها ثقيلة ومكلفة وصعبة الموضع في المساحات الصغيرة. على عكس ذلك، تعتمد الخلايا الشمسية بالأغشية الرقيقة، التي تتكون من الأصباغ العضوية، على تكلفة أقل ووزن أخف، بسماكة 100 نانومتر فقط. ومع ذلك، فإنها قادرة فقط على امتصاص جزء صغير من الطيف الشمسي. منذ سنوات، كان العلماء يبحثون عن حل لجعل اللوحات الشمسية أكثر كفاءة مع الحفاظ على الوزن والتكلفة منخفضة.

الآن، يعتقد العلماء في جامعة فورتسبورغ في بافاريا، ألمانيا أنهم ربما اكتشفوا الهيكل اللازم لتعزيز إنتاج الطاقة الشمسية بشكل كبير. حديثاً، نشر الباحثون دراسة في مجلة الكيمياء تظهر استخدام نظام URPB - مما يعني مصاصات الأشعة فوق البنفسجية، الحمراء، البنفسجية والزرقاء، الذي يعتمد عليه هوائيات التصوير الضوئي في النباتات والبكتيريا التي تستطيع التقاط الضوء بكفاءة. يستخدم نموذج URPB أربعة أصباغ مختلفة مكدسة في تكوين دقيق يتيح لها التقاط الضوء بكفاءة عبر طول موجات الأشعة فوق البنفسجية، المرئية، والقريبة من الأحمر.

متعلق: ستاندرد تشارتر: سيستمر ارتفاع أسعار النفط بعيداً عن 90 دولار للبرميل

خلال مرحلة الاختبار، تمكن الفريق من الباحثين من تحويل 38 في المئة من الضوء الوارد إلى طاقة مفيدة، بينما تدير الأصباغ الأربعة بمفردها أقل من واحد في المئة إلى حد أقصى من ثلاثة في المئة. أوضح أستاذ الكيمياء في جامعة JMU، فرانك فورثنر،"لقد كان لنظامنا هيكلٌ طيفي مماثل للشبه الموصلات غير العضوية. هذا يعني أنه يمتص الضوء إقطاعيًا عبر الطيف المرئي بأكمله. ويستخدم المعاملات العالية لامتصاص الأصباغ العضوية. ونتيجة لذلك، يمكنه أن يمتص الكثير من طاقة الضوء في طبقة رقيقة نسبيًا، على غرار أنظمة جمع الضوء الطبيعية."

التحدي التالي سيكون توسيع العملية للاستخدام التجاري. بينما توجد نجاحات في استخدام التكنولوجيا لإنتاج الطاقة في بيئة مختبرية، إلا أن هناك تحديات أكبر دائمًا عندما يتعلق الأمر بتطبيق تكنولوجيا جديدة في بيئة العالم الحقيقي.

هذه مجرد أحدث تكنولوجيا تُختبر حول العالم بهدف تحسين إنتاج الطاقة الشمسية. مستلهمة من مستويات أعلى من التمويل العام والحوافز المالية، مثل الإعفاءات الضريبية، ومدفوعة بالحاجة لزيادة قدرة العالم على الطاقة المتجددة لتقليل استهلاك الوقود الأحفوري، تقوم الشركات في جميع أنحاء العالم بإجراء استثمارات ضخمة في البحث والتطوير في قطاع الطاقة الشمسية. قد انتقل إنتاج الطاقة الشمسية بشكل كبير خلال العقد الماضي، حيث زادت كفاءة اللوحات الشمسية من حوالي 17 في المئة في عام 2012 إلى ما بين 22 في المئة و 29 في المئة اليوم، بينما انخفضت تكاليف الإنتاج وانخفض سعر الواط للوحات الشمسية من حوالي 5 دولارات في عام 2000 إلى أقل من 50 سنتًا اليوم.

الطاقة الشمسية الفوتوفولتائية (PV) هي أسرع مصدر للطاقة في العالم من حيث النمو، وفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، حيث نمت بمعدل يشهد زيادة بنحو 26 مرة منذ عام 2010. وبحلول نهاية عام 2022، بلغ السعة العالمية المثبتة للطاقة الشمسية PV 1،047 جيجاواط، مع إضافة 191 جيجاواط في عام 2022 وحده.

في وقت سابق من هذا العام، نشر الباحثون التركيون دراسة تظهر الإمكانية لهيكل خلية شمسية فوتوفولتائية نصف كروية يعتقدون أنه يمكن أن يمتص ما يصل إلى 66 في المئة من الضوء أكثر من الألواح المسطحة التقليدية. والفريق الآن يتطلع لإنتاج نموذج أولي لاختبار التقنية، التي بدت واعدة في المحاكاة الكمبيوترية.

هناك أيضًا تفاؤل حول استخدام خلايا الشمسية بيروفسكيت (PSCs) بفضل أدائها العالي وتكاليف إنتاجها المنخفضة. أظهرت خلايا PSCs تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة، مع تحسينات كبيرة في الكفاءة، من حوالي 3 في المئة في عام 2009 إلى أكثر من 25 في المئة اليوم. وقد شجع ذلك وزارة الطاقة الأمريكية (DoE)، ومؤسسات عامة وخاصة أخرى حول العالم على الاستثمار بشكل كبير في تحسين تكنولوجيا PSC.

حتى الآن، تمت إجراء معظم اختبارات PSC في بيئة مختبرية. ومع ذلك، يقوم فريق من الباحثين عبر البلاد في الولايات المتحدة، بقيادة جامعة نورث كارولينا، بنقل الاختبارات إلى الخارج. نجح مركز PACT التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في استخدام التكنولوجيا في الخارج لمدة 29 أسبوعًا وتحقيق كفاءة تشغيلية تزيد عن 16 في المئة. أوضحت لورا شيلهاس، باحثة في الكيمياء بمعهد NREL، "التجربة في الواقع هي خطوة حرجة نحو التجارة، ونأمل أن يقدم مركز PACT هذه القدرات للباحثين والشركات للاستفادة من هذه البيانات نحو تحسين الموثوقية."

بقلم فيليسيتي برادستوك لـ Oilprice.com

المزيد من القراءات الشائعة من Oilprice.com:

• إنتاج الطاقة في الولايات المتحدة يسجل سجلًا جديدًا
• أسواق النفط على حافة الخوف بينما الإعصار بيريل يتجه نحو جامايكا
• تراجع نشاط حفر النفط والغاز في الولايات المتحدة