تحدثنا في مقالنا السابق عن خلايا الفلم الرقيق المكونة من مركبات لاعضوية مثل خلايا الثلاثة – خمسة وخلايا CIGS وخلايا CdTe. ونتابع معكم في هذا المقال الجزء الثاني من خلايا الفلم الرقيق الكهروضوئية ونتعرف على الخلايا ذات الأساس العضوي وما اختلافها عن الخلايا التقليدية. و بالأخص، سنغطي الخلايا الكهروضوئية العضوية و الخلايا الصبغية الشمسية لما لها من دور واعد في مستقبل الطاقة الشمسية.
فهرس
الخلايا الكهروضوئية العضوية – Organic Solar Cells
تتألف الخلايا الكهروضوئية التقليدية من السيلكون ولكن الخلايا العضوية يكون الأساس فيها هو الكربون ويتم استخدام مواد عضوية الكترونية لتعمل كنصف ناقل بديلاً عن السيليكون لتحويل الطاقة الكهروضوئية إلى طاقة كهربائية.
يعد الاختلاف في البنية هو الأكبر للخلايا العضوية عن الخلايا الكهروضوئية السيليكونية التقليدية حيث تكون مكونات هذه الخلايا قابلة للانحلال في الحبر عادة ويتم طباعتها على طبقات بلاستيكية رقيقة، بالتالي تكون الخلايا الكهروضوئية العضوية أكثر مرونة ويمكن استخدامها في تطبيقات وأجزاء من البناء أكثر من الخلايا الكهروضوئية التقليدية كاستخدامها في النوافذ حيث يتم استبدال النوافذ العادية بنوافذ من خلايا كهروضوئية عضوية مطبوعة على مواد شفافة كالزجاج مثلاً.
بنية الخلية الكهروضوئية العضوية
تشبه بنية الخلية الكهروضوئية العضوية بنية الخلية السيليكونية التقليدية ولكن يكون الاختلاف في نوع المادة الموصلة التي تلعب دور نصف الناقل فتكون من مركب بوليميري موصل مثل PEDOT:PSS وهو مادة موصلة بوليميرية تتميز بكفاءة التوصيل العالية ويكون عنصر الكربون هو الأساس في المادة البوليميرية.
مقارنة بين الخلايا الكهروضوئية العضوية والخلايا السيليكونية التقليدية
يمكننا مقارنة هذه الخلايا وفق ثلاثة عوامل: الكفاءة، المواد المكونة للخلية، وأسعار الخلايا.
كفاءة الخلية
وصلت كفاءة الخلايا العضوية حتى 16.5% وهذه القيمة منخفضة نسبياً بالمقارنة مع الخلايا السيليكونية التقليدية التي وصلت إلي 27.6% ولكن ازدياد أهمية استخدام الخلايا العضوية في التطبيقات المختلفة استدعى زيادة الأبحاث لرفع كفاءة هذه الخلايا والسعي لوصول لقيم للكفاءة قد تتجاوز الخلايا السيليكونية التقليدية أو تتساوى معها.
المواد المكونة للخلايا
كما ذكرنا سابقاً فالخلايا الكهروضوئية العضوية تتميز عن الخلايا السيليكونية التقليدية بأن المادة النصف الناقل الموصل هي مادة ذات أساس كربوني بينما تكون المادة النصف ناقلة في الخلايا التقليدية هي عبارة عن كرستالاين السيليكون.
أسعار الخلايا
تختلف أسعار الألواح السيليكونية التقليدية وفق عدد الخلايا في اللوح الواحد والاستطاعة القادرة على توليدها بينما لم تصل الخلايا الكهروضوئية العضوية إلى مرحلة الألواح التجارية بعد، ولكن يمكن شراؤها بالطلب الخاص من بعض الشركات المصنعة حيث يتراوح السعر بين 30 وحتى 90 يورو للمتر المربع. ولكنها مازالت قيد التطوير لرفع الكفاءة بشكل مناسب للإنتاج على شكل واسع.
محاسن الخلايا العضوية
خفيفة الوزن وتتمتع بالمرونة الكافية لاستخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة وتتمتع أيضاً بصفات تجعلها نصف شفافة ويمكن بسهولة دمجها مع عناصر أخرى (قرميد السطوح مثلاً) وتكون تكلفتها منخفضة بسبب انخفاض تكاليف تصنيع المواد الداخلة بتركيبها.
يمكن انتاجها بطريقة مستمرة حيث يمكن أن تكون طريقة الإنتاج تعتمد على الطباعة بشكل مستمر وتتميز أيضاً بتأثيرها المنخفض على البيئة وزمن صغير لإعادة الطاقة.
مساوئ الخلايا العضوية
من أجل أن يتساوى أداء الخلايا العضوية مع الخلايا السيليكونية التقليدية وحتى يتجاوزها يجب أن تتمتع مواد المانح والمستقبل في الخلايا العضوية بمعامل امتصاص عالي للطاقة من الضوء وثبات كيميائي عالي وبنية قوية.
الخلايا الصبغية الشمسية – Dye Sensitized Solar Cells
تتألف الخلية الصبغية الشمسية من طبقة مسامية من ثنائي أوكسيد التيتانيوم TiO2 وتتم تغطيتها بطبقة صبغية ماصة للضوء مثل مادة اليخضور الموجودة في أوراق النباتات. يتم غمر ثنائي أوكسيد التيتانيوم تحت طبقة من محلول شاردي (كهرليتي) وهو محلول يحوي على أيونات حرة تشكل وسطاً ناقلاً للكهرباء، و يوضع تحتها طبقة محفزة كيميائياً ذات أساس من البلاتينيوم لتكون الخلية الصبغية أشبه بالبطارية التقليدية التي نستخدمها في حياتنا اليومية في أجهزة التحكم بالتلفاز وغيرها حيث تمثل طبقة ثنائي أوكسيد التيتانيوم المصعد في البطارية وطبقة البلاتينيوم تمثل المهبط ويلعب المحلول الشاردي دور الموصل.
مبدأ عمل الخلايا الصبغية الشمسية
يعبر الضوء من طبقة الزجاج الشفافة حتى الطبقة الصبغية فيتم تحفيز الالكترونات لتنتقل عبر طبقة ثنائي أوكسيد التيتانيوم. وتتجه الالكترونات ليتم تجميعها وتنقل إلى الشبكة الموصولة معها، وبعد أن تمر الالكترونات في الشبكة الخارجية تعود عبر طبقة الوصل الخلفي إلى المحلول الشاردي والذي يقوم بإعادة الالكترونات إلى الطبقة الصبغية.
تختلف الخلايا الصبغية الشمسية عن الخلايا السيليكونية التقليدية بأن هذه الخلايا تقوم بفصل الوظيفتين الأساسيتين المقدمتين من السيليكون في الخلايا التقليدية حيث يعمل السيليكون عادة كمصدر للالكترونات المحفزة من الضوء ويقوم بتوفير الحقل الكهربائي لفصل الشحنات وإنشاء التيار. أما في الخلايا الصبغية، فيتم استخدام الجزء الأكبر من نصف الناقل لنقل الشحنة فقط، بينما يتم توفير الالكترونات من قبل طبقة صبغية حساسة للضوء ويحدث فصل الشحنة عن السطوح بين الطبقة الصبغية ونصف الناقل والمحلول الشاردي.
محاسن الخلايا الصبغية الشمسية
تعد الخلايا الصبغية الشمسية من خلايا الجيل الثالث من الفلم الرقيق ذات الكفاءة العالية وتصل كفاءتها حتى 12%. بالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية إعادة اتحاد الالكترونات بعد تحفيزها أقل بالمقارنة مع الخلايا السيليكونية التقليدية حيث يكمن الاختلاف في أنه يتم توليد زوج (الكترون – ثقب) في الخلية التقليدية بينما يتم تحرير الكترون في الخلايا الصبغية مما يجعل عملية إعادة الاتحاد أقل وأبطئ بالمقارنة مع الخلايا التقليدية.
مساوئ الخلايا الصبغية الشمسية
يعد استخدام السائل الشاردي من أهم المساوئ في الخلية الصبغية والذي يملك مشاكلا تتعلق بالاستقرار الحراري. يمكن لهذا السائل أن يتجمد في درجات الحرارة المنخفضة وأن يتمدد في درجات الحرارة المرتفعة ويوجد دراسات عديدة لاستبدال السائل بمادة صلبة. كما يحتوي المحلول الشاردي على مركبات عضوية عالية التبخر وهذه المواد تتبخر في درجة حرارة الغرفة بكمية كبيرة ويجب التأكد من عزلها وعدم تبخرها لمنع انخفاض نسبتها بالإضافة لأثارها السلبية المضرة على الانسان والبيئة. كما أن كلفة المواد المكونة للخلية مثل الروثينيوم (المادة المكونة للصبغة) والبلاتينيوم تعد مرتفعة نسبياً.
خلايا البيروفسكيت – Perovskite Solar Cells
كنا قد تحدثنا عن خلايا البيروفسكيت في مقال خاص بهذه الخلايا، وهي بشكل عام 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.
خلاصة
تظهر خلايا الفلم الرقيق في تطبيقاتها المختلفة وأنواعها المتعددة مستقبلاً واعداً في تطور الخلايا الكهروضوئية وبالأخص لقدرة أنواعها المختلفة على أن تدخل في تركيب الأبنية (كواجهات البناء والنوافذ والأسقف) واستخدامها في تطبيقات تستغل المساحات المتوفرة بشكل أكبر نسبيا. تعرف هذه التطبيقات الخاصة باسم الألواح الكهروضوئية المدمجة بالبناء – Building Integrated Photovoltaics BIPV، والتي سنتعرف عليه في مقالاتنا القادمة.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
