في عام 1839 ذهب العالم الألماني جوستاف روز للتنقيب في جبال الأورال واكتشف معدنًا ذا لمعة مميزة برغم غماقة لونه، مطلقًا عليه اسم "تيتانات الكالسيوم" أو الـ"بيروفسكايت" نسبة إلى عالم المعادن الروسي ليف بيروفسكي.
ويعتبر هذا المعدن واحدًا من العديد من المعادن التي حددها روز في العلوم.. وبعد ما يقرب من قرنين من اكتشافه، يمكن للمواد التي تتشارك في التركيب البلوري للبيروفسكايت أن تحول نطاق عمل الطاقة المستدامة، والسباق ضد تغير المناخ، وذلك عبر تعزيز كفاءة الألواح الشمسية التجارية بشكل كبير.
ألواح الطاقة الشمسية
شكلت الألواح الشمسية ما يقرب من 5٪ من إنتاج الطاقة في الولايات المتحدة العام الماضي، بزيادة 11 ضعفًا عما كانت عليه قبل 10 سنوات وتكفي لتزويد حوالي 25 مليون منزل بالطاقة.
يعد ذلك، مصدرًا هو الأسرع نموًا للطاقة الجديدة حتى الآن، لأنها بذلك، تمثل 50٪ من إجمالي توليد الكهرباء الجديدة المُضافة في عام 2022.
لكن جميع الوحدات الشمسية تقريبًا المستخدمة في توليد الطاقة اليوم تتكون من ألواح تقليدية قائمة على السيليكون مصنوعة في الصين، وهي تقنية لم تتغير كثيرًا منذ اكتشاف خلايا السيليكون في الخمسينيات من القرن الماضي.
أما المواد الأخرى المستخدمة، فهي مثل زرنيخيد الغاليوم، سيلينيد الإنديوم والنحاس والكادميوم تيلورايد، وهذا الأخير هو مفتاح لأكبر شركة للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة، والمعروفة باسم "فيرست سولار".
مزايا البيروفسكايت
يقول الخبراء من مؤيدي استخدام البيروفسكايت في الخلايا الشمسية، إن بإمكانها التفوق على السيليكون، على الأقل بتسريع الجهود في السباق لمكافحة تغير المناخ.
ومؤخرًا أعلنت شركة "فيرست سولار" عن استحواذها على شركة "إيفولار" لتكنولوجيا البيروفسكايت الأوروبية.
علاوة على ذلك، يمكن أن تكون خلايا البيروفسكايت أكثر استدامة في الإنتاج من السيليكون، فهناك حاجة إلى حرارة شديدة وكميات كبيرة من الطاقة لإزالة الشوائب من السيليكون، والتي تنتج الكثير من انبعاثات الكربون، كما يجب أن يكون سميكًا نسبيًا حتى يعمل.
أما خلايا البيروفسكايت فرقيقة جدًا، بأقل من 1 ميكرومتر، ويمكن دهنها أو رشها على الأسطح، مما يجعلها أرخص نسبيًا في الإنتاج.
السيليكون والخلايا الشمسية
تحول الخلايا الكهروضوئية الفوتونات الموجودة في ضوء الشمس إلى كهرباء. لكن ليست كل الفوتونات متشابهة، فهي لديها كميات مختلفة من الطاقة، وتتوافق مع أطوال موجية مختلفة في الطيف الشمسي.
تتمتع الخلايا المصنوعة من البيروفسكايت، والتي تشير إلى مواد مختلفة ذات هياكل بلورية تشبه المعدن، بمعامل امتصاص أعلى، مما يعني أنه يمكنها الاستحواذ على نطاق أوسع من طاقات الفوتون على طيف ضوء الشمس لتوفير المزيد من الطاقة.
بينما تتمتع خلايا السيليكون بكفاءة تصل إلى حوالي 21٪ ، فإن خلايا البيروفسكايت المعلية لها كفاءات تصل إلى 25.7٪ لتلك التي تعتمد على البيروفسكايت وحده، وما يصل إلى 31.25٪.
أكثر استدامة وأرخص
قدر تحليل أجرته جامعة ستانفورد لعام 2020 لطريقة إنتاج تجريبية أن وحدات البيروفسكايت يمكن تصنيعها مقابل 25 سنتًا فقط للقدم المربع، مقارنةً بنحو 2.50 دولارًا أمريكيًا للسيليكون.
حول ذلك، قال تسوتومو مياساكا، أستاذ الهندسة بجامعة توين في يوكوهاما، الذي ابتكر أول خلية شمسية من البيروفسكايت في عام 2009: "ستنشئ الصناعات خطوط إنتاج في المصانع لتسويق خلاياها الشمسية قبل عام 2025". وبدأت الشركات في أنحاء العالم في تسويق ألواح البيروفسكايت.
تقوم شركة "كيوبيك بي فيي"، التي يوجد مقرها في ماساتشوستس وتكساس بأمريكا، على تطوير وحدات منذ عام 2019، ومن بين داعمي الشركة في مشاريعها الطاقة المبتكرة، رجل الأعمال والمليادرير الأمريكي بيل جيتس.
وتقول الشركة إن وحداتها تتكون من طبقة سفلية من السيليكون وطبقة علوية من البيروفسكايت وستصل كفاءتها إلى 30٪.
ووفقًا للرئيس التنفيذي فرانك فان مييرلو، فإن كيمياء البيروفسكايت الخاصة بالشركة وطريقة التصنيع منخفضة التكلفة، ما يجعل العملية التصنيعية اقتصادية.
