السباق للحصول على الجيل القادم من تكنولوجيا الطاقة الشمسية في السوق

في مختبر سويفت سولار، هناك أكثر من اثني عشر زوجًا من القفازات المطاطية بطول الكوع تحوم أفقيًا في الهواء، منتفخة مثل الأذرع. يتم تحريك القفازات بواسطة النيتروجين الغازي وتبرز من حاويات ذات جدران زجاجية يصل ارتفاعها إلى الخصر، وهي مصممة للحفاظ على مساحات العمل جافة ومحكم الإغلاق لحماية المواد الشمسية الحساسة بداخلها.

في الزاوية، يقوم الفني روجر طومسون بتحريك يديه في زوج ويبدأ في شق شرائح زجاجية صغيرة في لوحة معدنية. وقريباً، سيحمل حزام ناقل اللوحة خلف باب معدني، حيث سيضيف “سحر الصندوق الأسود”، كما يسميه الرئيس التنفيذي لشركة Swift، جويل جين، طبقة كيميائية مصممة لتوصيل التيار الكهربائي.

تعد شركة سويفت، التي تدير هذه المنشأة في منطقة صناعية هادئة في وادي السيليكون، واحدة من مجموعة متنامية من الشركات التي تقوم بتجربة الجيل التالي من تكنولوجيا الطاقة الشمسية. تتسابق الشركة الناشئة لإنتاج خلايا شمسية قابلة للتطبيق تجاريًا، والتي تغطي طبقة السيليكون التقليدية بمواد تسمى البيروفسكايت.

إن تكديس هاتين المادتين، اللتين تمتصان أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس، يسمح للألواح الشمسية بالوصول إلى كفاءات أعلى وإنتاج المزيد من الكهرباء لكل لوحة. هذا يعني الخلايا الشمسية الترادفية البيروفسكايت يمكن أن يقلل التكاليف ويعزز كمية الكهرباء المتجددة على الشبكة.

ال الوعد مهم. لكن الشركات والعلماء ظلوا يتلاعبون بهذه التكنولوجيا لأكثر من عقد من الزمن دون أي نشر تجاري. باعتبارها مادة شمسية، فإن البيروفسكايت متقلبة، فهي حساسة للماء والحرارة والضوء. ويحذر بعض الباحثين من أن الوقت ربما ينفد.

يقول بن تشن، الأستاذ المساعد للأبحاث الذي يركز على تكنولوجيا البيروفسكايت في جامعة نورث وسترن: “لدي شعور بأنه إذا لم تكن هناك منتجات البيروفسكايت خلال العامين أو الثلاثة أعوام المقبلة، فإن السوق قد تقلل من ثقتها في هذه التكنولوجيا”.

ويعمل الباحثون والشركات الناشئة، بما في ذلك شركة Swift، بشكل محموم لتطوير هذه المنتجات، مدعومين بالتقدم الأخير في جعل البيروفسكايت أكثر استدامة. وفي الأشهر الأخيرة، أعطت بعض أكبر شركات الطاقة الشمسية على مستوى العالم أيضاً أصوات الثقة للتكنولوجيا، من خلال الاستثمار في خطوط التصنيع التجريبية أو شراء شركات البيروفسكايت الناشئة.

الآن يجب على هذه الشركات أن تثبت قدرتها على التغلب على هذه التحديات النضالات التي أفسدت البيروفسكايت لسنوات، مع إنتاج الملايين من اللوحات التي تعمل بكفاءة قياسية.

“على الجزء الخلفي” من السيليكون

تعتقد العديد من هذه الشركات أن مفتاح نجاح البيروفسكايت هو دمجها مع تقنيات الطاقة الشمسية التي أثبتت جدواها، والتي يمكن أن تمنح البيروفسكايت بعض الاستقرار وثقة السوق التي اكتسبتها بشق الأنفس.

يقول باري راند، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون: “نقطة الدخول الرئيسية للبيروفسكايت إلى السوق هي حرفيا على ظهر السيليكون”.

اليوم، أكثر من 90% من الألواح الشمسية المباعة في جميع أنحاء العالم مصنوعة من السيليكون البلوري. عقود من الخبرة في هذه التكنولوجيا تعني أن المطورين يعرفون كيفية تخطيط المشاريع حولها، ويعرف الممولين كيفية تسعير الاستثمارات للمشاريع التي تستخدمها.

إن وضع طبقات البيروفسكايت على هذه الألواح يمكن أن يمنح شركات الطاقة الشمسية ميزة في صناعة شديدة التنافسية. تقول جيني تشيس، محللة الطاقة الشمسية في خدمة الأبحاث بلومبيرج إن إي إف: “إذا تمكنت من حل هذه المشكلة – أي صنع وحدة شمسية أفضل – فسوف تجني المال منها”. “الفكرة هي صنع شيء أرخص في تصنيعه لكل واط، ومن ثم يمكنك بيعه بسعر أعلى لأنه سيكون ذا كفاءة عالية جدًا.”

القول أسهل من الفعل. تواجه البيروفسكايت، التي تتكون من هاليدات معدنية وتشترك في بنية بلورية فريدة، تحديين كبيرين: زيادة المتانة وزيادة الإنتاج. يمكن أن تتفاعل البيروفسكايت مع الأكسجين الموجود في الهواء، أو تتحلل عند تعرضها للضوء، وهي مشكلة كبيرة جدًا بالنسبة لمنتج الطاقة الشمسية.

ولصنع ترادفات البيروفسكايت مع هياكل أكثر استقرارًا، تخطط الشركات لوضع طبقة من البيروفسكايت على خلايا شمسية أخرى، باستخدام التبخر، والطباعة (مثل الحبر الموجود في إحدى الصحف)، وحتى “الطلاء بالدوران”، وهي تقنية تشبه فن الدوران من التسعينيات. . كما أن تغيير تركيبة طبقة البيروفسكايت يمكن أن يساعد في استمرارها لفترة أطول.

تشين وراند متعاونان في جهدين تم تمويلهما حديثًا، بدعم من ملايين الدولارات من وزارة الطاقة الأمريكيةلاختبار تكوينات البيروفسكايت والسيليكون التي يمكن أن تكون أكثر متانة وأسرع في التسويق. ومن بين المشاركين الآخرين جامعات، والعديد من شركات البيروفسكايت الناشئة (بما في ذلك سويفت)، والمختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة.

البقاء في السلطة

يقول راند، الذي يدرس فريقه في جامعة برينستون كيفية إيقاف تحلل البيروفسكايت، إن هذا المجال قطع شوطًا طويلًا في السنوات السبع الماضية. يتم تغليف الألواح اليوم بشكل أفضل لمنع دخول الماء. الآن يقول إنها مجرد لعبة إزالة، أي تحديد المكونات الكيميائية الموجودة في الخلية التي من المرجح أن تتفاعل، واستبدالها. لكنه لا يعتقد أن المزيد من التجارب يجب أن تعيق التسويق التجاري.

ويقول: “أعتقد أن النتائج واعدة بما يكفي للقيام بهذه الاستثمارات”. “ولكن لا ينبغي التفكير في الأمر على أنه [a] ‘تم إنجاز المهمة.’ لا يزال هناك العديد من الإنجازات التي لم تظهر بعد، خاصة فيما يتعلق بالاستقرار.

يقول توماس ليتنس، الشريك المؤسس والرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في شركة Swift، إن الشركة يمكنها الآن تعريض خلاياها لدرجات حرارة تصل إلى 70 درجة مئوية أثناء تشغيلها في الضوء دون تدهور. يقول وهو جالس إلى طاولة مزينة بنموذج البيروفسكايت الوردي الساخن: “كان هذا شيئًا، كما أقول، لم يكن من الممكن تصوره قبل خمس سنوات”.

ولكن يجب على الصناعة التأكد من أن كل خلية ستكون متينة؛ في جميع أنحاء العالم، تقوم الشركات بتصنيع مئات الملايين من الألواح الشمسية كل عام، تحتوي كل منها على عشرات الخلايا. قبل استخدامها في المشاريع، يجب أن تجتاز الألواح اختبارات صناعية صارمة، مثل تحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة والرطوبة والبرد. ولم تبدأ شركة Swift، التي تأسست عام 2017، اختبارات مستقلة بعد؛ وفي الوقت الحالي، يقوم بإخضاع خلاياه لبعض هذه الظروف في مختبره الخاص ولديه لوحة واحدة موصلة بأسلاك على سطحه.

تعمل الشركات الناشئة مثل Swift وOxford PV – وهي شركة بريطانية انبثقت من معمل أبحاث جامعي حيث عمل بعض مؤسسي Swift ذات يوم – جنبًا إلى جنب مع أكبر الشركات في الصناعة للوصول إلى السوق. تقول شركة Oxford PV إنها ستبدأ في شحن ألواح البيروفسكايت الترادفية للعملاء في وقت لاحق من هذا العام. وفي شهر مايو/أيار الماضي، قامت شركة “فيرست سولار” التي يقع مقرها في ولاية أريزونا، وهي أكبر شركة مصنعة للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة، بشراء شركة أوروبية للبيروفسكايت تدعى “إيفولار”.

وفي بيان حول استحواذها على شركة Evolar، قال مارك ويدمار، الرئيس التنفيذي لشركة First Solar، إن الشركة تعتقد أن “الوحدات الكهروضوئية الترادفية عالية الكفاءة ستحدد المستقبل”. وبعد بضعة أيام فقط، قالت شركة Hanwha Q Cells ومقرها كوريا، وهي شركة مصنعة كبرى أخرى، إنها تستثمر 100 مليون دولار لإنشاء خط تجريبي ترادفي للبيروفسكايت. في عام 2022، ساعدت شركة Q Cells في إنشاء Pepperoni، وهو تعاون أوروبي لتطوير الترادفيات.

يقول الباحثون الذين يعملون على البيروفسكايت إن الخلايا الترادفية التجارية يمكن أن تستغرق سنوات، وليس عقودًا. يقول جين إن سويفت تأمل في الحصول على منتج جاهز للتسويق التجاري في غضون أربع سنوات. ومن المفترض أن تساعد الحوافز في قانون الحد من التضخم، والذي يتضمن اعتمادات لمنتجات الطاقة النظيفة المصنوعة في الولايات المتحدة.

لكن البيروفسكايت لديهم متشككون ومؤيدون أيضًا. يقول تشيس إن ألواح السيليكون الموجودة اليوم جيدة بالفعل بما يكفي لمساعدة العالم على التحول إلى الطاقة النظيفة ومكافحة تغير المناخ. لقد شككت منذ فترة طويلة في قدرة البيروفسكايت على قلب الوضع الراهن لصناعة الطاقة الشمسية. وتقول: “لا يمكنك صنع تقنية أشباه الموصلات بزخم”. “أنت بحاجة إلى التكنولوجيا للعمل.”

ومع ذلك، بالنظر إلى مقدار الطاقة الشمسية اللازمة لإزالة الكربون من الشبكة، يقول مؤيدو البيروفسكايت إن كل جزء من الكفاءة الإضافية سيكون مهمًا.

يقول لايتنز: «على الرغم من أن السيليكون رائع، إلا أن الترادفيات أفضل». “في كفاحنا لمعالجة تغير المناخ، نحتاج إلى الإسراع، وليس مجرد القول: “أوه، هذا جيد بما فيه الكفاية – لقد انتهينا”. كل شيء يمكن أن يستمر في التحسن.”