خلايا بيروفسكيت الكهروضوئية – Perovskite Solar Cells

Image Credits: pinterest, renewablesnow

يزداد يوماً بعد يوم استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية لتوليد الكهرباء في مختلف القطاعات، مما يدفع بالعلماء والمطورين للبحث عن وسائل جديدة لرفع كفاءة الألواح الموجودة حالياً أو البحث عن تقنيات جديدة لتخفيض تكلفة الإنتاج و زيادة التنافسية للألواح الشمسية و الكهرباء المنتجة منها بشكل عام.

نتعرف اليوم على خلايا البيروفسكيت الكهروضوئية وكيفية تصنيعها وميزاتها.

البيروفسكيت – Perovskite

البيروفسكيت: هو أوكسيد الكالسيوم تيتانيوم أو كالسيوم تيتانيت وصيغته الكيميائية CaTiO3 ويطلق هذا الاسم أيضاً على جميع المعادن التي تتميز بنفس البنية الجزيئية البلورية مثل أوكسيد الكالسيوم تيتانيوم.

تم اكتشاف هذا المعدن لأول مرة في جبال الأورال الروسية وسميت باسم المنقب عن المعادن ليف بيروفسكيت ويتواجد هذا المعدن في طبقة الوشاح من الكرة الأرضية ولكن استخراجه صعب جداً لأن الوصول إليه يتطلب الوصول إلى أعماق كبيرة في باطن الأرض ولكن يمكن الحصول على البيروفسكيت مخبرياً حيث يمكن القول أن الصيغة العامة للبيروفسكيت ABX3.

حيث A و B هما أيونان موجبان ويكون A أكبر من B بينما X فهو أيون سالب يكون غالباً من الهاليدات أو الأكاسيد ويقوم بالربط بين المركبين السابقين.

تعرف الهاليدات على أنها المركبات الحاوية على أحد هذه العناصر (فلور F – بروم Br – كلور Cl – يود I – أساستين At).

يتميز البيروفسكيت بكفاءة عالية على امتصاص الإشعاع الشمسي، مدى الانتشار للشحنات كبير، وانخفاض طاقة السوية الالكترونية، وقيمة كبيرة لثابت العزل.

بينت هذه الخصائص وغيرها أهمية البيروفسكيت في تصنيع خلايا شمسية تحتوي على البيروفسكيت كطبقة ماصة للإشعاع الشمسي وبالتالي ظهرت خلايا بيروفسكيت الشمسية الكهروضوئية – Perovskite Solar Cells.

خلايا بيروفسكيت الشمسية الكهروضوئية – Perovskite Solar Cells

هي خلايا شمسية كهروضوئية تتألف من عدة طبقات. تكون الطبقة الماصة للضوء عبارة عن طبقة من البيروفسكيت وبالغالب تكون من النوع الهجين عضوي – غير عضوي من هاليد الرصاص أو القصدير.

كيفية يتم تصنيع خلايا بيروفسكيت

مقطع يوضح أقسام خلية بيروفسكيت
مقطع يوضح أقسام خلية بيروفسكيت

نبدأ بمادة موصلة شفافة توضع على طبقة من الزجاج وتصنع المادة الموصلة من fluorine doped tin oxide (FTO)، ونضع فوقها طبقة من أكسيد التيتانيوم Titanium Dioxide TiO­2وهي طبقة نصف ناقلة نوع n تقوم بتحرير الالكترونات وتشكل هذه الطبقات مصعد الخلية الشمسية، ويوضع فوق هذه الطبقة طبقة من البيروفسكيت وهي الطبقة التي تقوم بامتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى طاقة كهربائية ومنها تتحرر الالكترونات والثقوب حيث تتنقل الالكترونات إلى طبقة المصعد بينما الثقوب إلى طبقة المهبط.

نضع فوق طبقة البيروفسكيت طبقة ذات جزيئات صغيرة Spiro-OmeTAD وهي طبقة نصف ناقلة نوع p تقوم بتحرير الثقوب.

في النهاية توضع طبقة من خطوط الذهب تعمل كموصلات للمهبط.

صورة توضح الأنواع الثلاثة لخلايا البيروفسكيت
صورة توضح بنية الأنواع الثلاثة لخلايا البيروفسكيت

بالنظر إلى الصورة نلاحظ أنه يوجد ثلاثة أنواع من خلايا بيروفسكيت وهي كالتالي:

الخلية التقليدية – Conventional Cell

تتألف هذه الخلية بشكل عام من الطبقات التالية:

طبقة موصلة شفافة – Transparent Conducting Oxide.

طبقة ناقلة للالكترونات – Electron Transport Layer.

طبقة من البيروفسكيت – Perovskite.

طبقة ناقلة للثقوب – Hole Transport Layer.

طبقة الخطوط الموصلة غالباً من الذهب – Electrode.

الخلية المعكوسة أو المقلوبة – Inverted Cell

تتألف هذه الخلية بشكل عام من الطبقات التالية:

طبقة موصلة شفافة – Transparent Conducting Oxide.

طبقة ناقلة للثقوب – Hole Transport Layer.

طبقة من البيروفسكيت – Perovskite.

طبقة ناقلة للالكترونات – Electron Transport Layer.

طبقة الخطوط الموصلة غالباً من الألمنيوم – Electrode.

الخلية المسامية – Mesoporous Cell

تتميز هذه الخلية عن الخلية التقليدية بوجود ركيزة من مادة مسامية – Mesoporous Scaffold تستند عليها مادة البيروفسكيت ومهمتها وصل الشحنة الكهربائية ومثال على هذه المواد المسامية أوكسيد التيتانيوم TiO.

يتعلق الاختلاف في الأنواع السابقة بطريقة تصنيع الخلية ومراحل وضع الطبقات فوق بعضها في الخلية وهذا الاختلاف يسبب اختلافا في عمل الخلية.

في الخلايا المعكوسة تكون كفاءة الإنتاج أكبر بالمقارنة مع الخلايا التقليدية، كما يمكن إضافة طبقة مسامية لها فتزداد كفاءتها.

إن طبقات البيروفسكيت المستخدمة في تصنيع الخلايا ذات عمر قصير حيث تتحلل مع الوقت بتأثير أشعة الشمس، ومن هنا ظهرت فكرة إضافة ركيزة مسامية على هذه الطبقة من الخلية مما يسبب في إطالة العمر التشغيلي وتخفيض نسبة التحلل وأيضاً يزيد من كفاءة الألواح.

ميزات خلايا بيروفسكيت

من أهم الميزات التي تتمتع بها هذه الخلايا هي كفاءتها العالية حيث تصل اليوم إلى 24% ويعمل الباحثون والعلماء على تطوير هذه الخلايا ورفع كفاءتها ومن المتوقع أن تتجاوز الخلايا الشمسية الكهروضوئية الأحادية والمتعددة السيليكونية (مونو وبولي).

ومن الميزات الهامة هي أنها تتألف بالكامل من مواد من صنع الإنسان أي يمكن تصنيعها بأقل تكلفة ممكنة وبالتالي تنخفض تكلفة الخلية بالمقارنة مع الخلايا الكهروضوئية العادية المصنوعة من بلورات السيليكون التي يتطلب الحصول عليها استخراجها من الأرض ومعالجتها قبل استخدامها في بناء الخلايا الكهروضوئية.

يتم تصنيع خلايا بيروفسكيت وفق عملية تسمى معالجة المحلول – solution Processing، وهي عملية مشابهة لعملية طباعة الجرائد.

إن طريقة التصنيع هذه تجعل من عملية تصنيع خلايا بيروفسكيت عملية قابلة للتطور بشكل كبير وبالإضافة إلى إمكانية تخفيض تكلفة الإنتاج بالمقارنة مع عمليات تصنيع الخلايا الكهروضوئية الأخرى، وإن انخفاض تكلفة التصنيع يعود على المستهلك بانخفاض أسعار الألواح وبالتالي تشجيع المستهلكين على استخدام الطاقة الشمسية كبديل عن الشبكة الكهربائية العامة.

تتميز أيضاً هذه الخلايا بمرونتها العالية مما يجعل من السهل تثبيتها في أماكن مختلفة من البناء وقد تكون مدمجة في بعض عناصر البناء كالنوافذ كونها أيضاً شبه شفافة، كما أن هذه الخلايا خفيفة الوزن بالتالي لا تقدم ضغط كبير على الأبنية.

صورة توضح مرونة خلايا بيروفسكيت
صورة توضح مرونة خلايا بيروفسكيت
خلية بيروفسكيت شبه شفافة
لاحظ كيف تبدو الخلايا شبه شفافة.

مستقبل خلايا بيروفسكيت

عمل العلماء في الفتر ة الأخيرة على تطوير خلايا بيروفسكيت لرفع كفاءتها وأخر ما توصل إليه العلماء هو خلايا بكفاءة قدرها 30.2%، ولكن كيف تحقق ذلك؟

تحقق ذلك بقيام العلماء بدمج تقنية خلايا بيروفسكيت  Perovskite مع خلايا ذات الوجهين bifacial crystalline silicon وذلك بوضع طبقة من مادة البيروفسكيت فوق خلايا ذات الوجهين وبهذه العملية نحصل على خليتين متراكبتين بكفاءة عالية في تحويل الطاقة حيث إحدى الخلايا تستجيب للفوتونات عالية الطاقة والخلية الثانية تستجيب للجزيئات ذات الطاقة المنخفضة.

خلية ذات وجهين مع طبقة بيروفسكيت
مقطع يوضح مكان تواجد طبقة البيروفسكيت على الخلية ذات الوجهين.

استخدم الباحثون مقاربة “الكفاءة المكافئة لخلايا ذات الوجهين” (Bifacial – equivalent efficiency) لحساب كفاءة هذه الخلايا وهذا يتضمن حساب كفاءة جهاز كهروضوئي بخلايا ذات وجه واحد الذي نحتاجه لإنتاج نفس الطاقة التي ينتجها جهاز كهروضوئي بخلايا ذات وجهين سنوياً في الشروط نفسها. باستخدام طريقة القياس هذه فقد تم قياس كفاءة الخلية الشمسية (خلية ذات وجهين مع طبقة البيروفسكيت) من الأمام بعد تعريضها لشروط الاختبار القياسي STC مع إضافة 20% من الإضاءة على الوجه الخلفي وبالتالي وصلت الخلية إلى كفاءة قدرها 30.2%.

يتوقع العلماء والباحثون أن تصل كفاءة هذه الخلايا إلى 35% خلال ثلاث إلى خمس سنوات.

خلاصة

هذه التقنية تعتبر جديدة في عمر الخلايا الشمسية لذلك يبدو أن لها مستقبلاً كبيراً نظراً الميزات التي تقدمها بالمقارنة مع باقي الخلايا لذلك نرى العلماء يعملون على هذه التقنية من الخلايا لرفع كفاءتها وتطوير خصائصها ومن المتوقع أن تتطور بشكل أكبر في السنوات القليلة القادمة وأن تشكل جزءاً كبيراً من سوق الألواح الشمسية.

تابعونا لمواكبة تطور هذه الخلايا وغيرها من تقنيات الطاقة الشمسية.

نتمنى لكم يوماً مشمساً.

فيديو من جامعة واشنطن لعملية تصنيع خلية شمسية كهروضوئية من نوع بيروفسكيت

Image Credits: pinterest, renewablesnow

حنا ندروس

مهندس طاقة كهربائية محرر في القسم التعليمي وأخبار الطاقة المتجددة ومهتم بأبحاث الطاقة المتجددة بشكل عام والطاقة الشمسية بشكل خاص.

0 0 votes
Article Rating
Subscribe
نبّهني عن
guest
141 Comments
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
Hussein elnazer abdin

نشكركم… ونرجو مداومة التواصل ونشر علوم الطاقة الشمسية

ابراهيم

السلام عليكم
انا من الجزائر تخصص طاقاتا متجددة هل يمكنني التقدم للوظائف التي يتم الاعلان عنها بقسم الوظائف
وشكرااا

[…] -20 مايو 2020: طور الباحثون طريقة جديدة لتصنيع خلايا بيروفسكيت بكفاءة 22.6% وذلك للاستخدام في الأماكن المغلقة عند سوية […]

Kam

You’ve made some good points there. I looked on the net to learn more about the
issue and found most individuals will go along with your views on this
site.

Very nice article, just what I wanted to find.

I am actually delighted to glance at this web site posts which includes tons of valuable data, thanks for providing such information.

Simply want to say your article is as amazing.
The clarity for your put up is simply great and i
could think you’re an expert in this subject. Well with your permission allow me to snatch your feed to stay updated with drawing close post.
Thanks a million and please continue the gratifying work.

For most up-to-date news you have to pay a quick visit web and on internet
I found this website as a best web site for most up-to-date updates.

Howdy! This is my 1st comment here so I just wanted to give a quick shout out
and tell you I really enjoy reading through your posts. Can you recommend any other
blogs/websites/forums that go over the same subjects?
Thank you so much!

My developer is trying to persuade me to move to .net
from PHP. I have always disliked the idea because of the expenses.
But he’s tryiong none the less. I’ve been using WordPress on a variety
of websites for about a year and am anxious about switching to another platform.
I have heard good things about blogengine.net. Is there a way I can import all my wordpress
content into it? Any help would be greatly appreciated!

My brother suggested I might like this blog. He used to be entirely right.
This post truly made my day. You can not imagine simply how a
lot time I had spent for this information! Thanks!

This article is genuinely a nice one it helps new net people,
who are wishing for blogging.

My family every time say that I am killing my time here at net, except I know I am getting familiarity everyday by reading such pleasant articles or reviews.

If you are going for best contents like myself, simply pay a quick visit this
web site all the time since it provides quality contents, thanks

instaviewy

Unquestionably believe that that you stated. Your favorite reason seemed
to be at the net the simplest thing to consider of.
I say to you, I definitely get irked whilst people consider issues that they plainly do not understand about.
You controlled to hit the nail upon the top and outlined out the entire thing with no need side effect
, folks could take a signal. Will likely be back to get more.
Thank you

I every time emailed this webpage post page to all
my associates, as if like to read it next my links will too.

What’s up, its nice post on the topic of media print, we all be
familiar with media is a great source of facts.

Hmm is anyone else experiencing problems with the images
on this blog loading? I’m trying to figure out if its
a problem on my end or if it’s the blog. Any feedback would
be greatly appreciated.

I do not know whether it’s just me or if perhaps everybody
else encountering problems with your website.
It appears as if some of the text in your content are running off
the screen. Can someone else please provide feedback and let me know
if this is happening to them too? This might be a issue with my internet browser because I’ve had
this happen before. Thanks

watchinsta

I every time used to read article in news papers but
now as I am a user of net so from now I am using net for posts, thanks to web.