مايكل جوردان للخلايا الشمسية: تكنولوجيا جديدة تثبت قوتها الدائمة

مايكل جوردان للخلايا الشمسية: تكنولوجيا جديدة تثبت قوتها الدائمة

لقد اجتازت فئة ناشئة من تكنولوجيا الطاقة الشمسية ، مصنوعة من أشباه الموصلات من البيروفسكايت ، المرحلة التي طال انتظارها وهي 30 عاما. كشف باحثو الهندسة في جامعة برينستون الذين صمموا الجهاز الجديد أيضا عن طريقة جديدة لاختبار الأداء طويل المدى ، وهي عقبة رئيسية على طريق التسويق.

30 عاما من خلايا البيروفسكايت الشمسية والتقنية الجديدة لاختبارها على المدى الطويل.

طور علماء الهندسة في جامعة برينستون أول خلية شمسية من البيروفسكايت تتمتع بعمر صالح تجاريا ، مما يمثل علامة فارقة لفئة ناشئة من تكنولوجيا الطاقة المتجددة. يتوقع فريق البحث أن أداء أجهزتهم يمكن أن يتجاوز معايير الصناعة لمدة 30 عاما تقريبا ، أكثر بكثير من العشرين عاما المستخدمة كعتبة لجدوى الخلايا الشمسية.

الجهاز ليس متينا للغاية فحسب ، بل إنه يلبي أيضا معايير الكفاءة المشتركة. في الواقع ، إنه الأول من نوعه الذي ينافس أداء الخلايا القائمة على السيليكون ، والتي هيمنت على السوق منذ طرحها في عام 1954.

البيروفسكايت عبارة عن أشباه موصلات ذات هيكل بلوري خاص يجعلها مناسبة تماما لتكنولوجيا الخلايا الشمسية. يمكن تصنيعها في درجة حرارة الغرفة ، باستخدام طاقة أقل بكثير من السيليكون ، مما يجعلها أرخص وأكثر استدامة في الإنتاج. وبينما يكون السيليكون صلبا ومعتما ، يمكن جعل البيروفسكايت مرنا وشفافا ، مما يوسع الطاقة الشمسية إلى ما هو أبعد من الألواح المستطيلة الشهيرة التي تملا سفوح التلال وأسطح المنازل في جميع أنحاء أمريكا.

توجد مجموعة من تصميمات الخلايا الشمسية البيروفسكايت تحت الضوء الساطع في درجات حرارة عالية أثناء عملية الشيخوخة والاختبار المتسارعة التي طورها باحثو برينستون للهندسة. يمثل نهج الاختبار الجديد خطوة رئيسية نحو تسويق الخلايا الشمسية المتقدمة.

ولكن على عكس السيليكون ، تشتهر البيروفسكايت بالهشاشة. الخلايا الشمسية المبكرة من البيروفسكايت (PSC) ، التي تم إنشاؤها بين عامي 2009 و 2012 ، استمرت دقائق فقط. يمثل العمر المتوقع للجهاز الجديد زيادة بمقدار خمسة أضعاف عن الرقم القياسي السابق ، والذي حدده انخفاض كفاءة PSC في عام 2017. (يعمل هذا الجهاز تحت إضاءة مستمرة في درجة حرارة الغرفة لمدة عام واحد. وسيعمل الجهاز الجديد لمدة خمس سنوات تحت ظروف معملية مماثلة.)

كشف فريق جامعة برينستون ، بقيادة لين لو ، الأستاذ في الهندسة ثيودورا دي. مجلة العلوم .

قال لو إن تصميم تسجيل الأرقام القياسية قد سلط الضوء على الإمكانات الدائمة للشبكات الأمنية الخاصة ، خاصة كطريقة لدفع تكنولوجيا الخلايا الشمسية إلى ما وراء حدود السيليكون. لكنها أشارت أيضا إلى ما وراء النتيجة الرئيسية لتقنية الشيخوخة المتسارعة الجديدة لفريقها باعتبارها الأهمية الأعمق للعمل.

النظر إلى خلية شمسية من البيروفسكايت عالية الثبات تحت التكبير أثناء عملية الشيخوخة المتسارعة التي تساعد الباحثين على توقع العمر الطويل للتصاميم المتقدمة.

قالت: قد يكون لدينا الرقم القياسي اليوم ، لكن شخصا آخر سيأتي بسجل أفضل غدا. الشيء المثير حقا هو أن لدينا الآن طريقة لاختبار هذه الأجهزة ومعرفة كيفية أدائها على المدى الطويل .

نظرًا لضعف البيروفسكايت المعروف جيدا ، لم تكن الاختبارات طويلة المدى مصدر قلق كبير حتى الآن. ولكن مع تحسن الأجهزة واستمراريتها لفترة أطول ، سيصبح اختبار تصميم مقابل آخر أمرا بالغ الأهمية في طرح تقنيات متينة وصديقة للمستهلك.

قال جوزيف بيري ، الزميل الأول في المختبر الوطني للطاقة المتجددة والمتخصص في فيزياء الخلايا الشمسية والذي لم يكن تشارك في هذه الدراسة. من خلال إنتاج نموذج أولي لدراسة الاستقرار ، وإظهار ما يمكن استقراءه [من خلال الاختبار السريع] ، فإنه يقوم بالعمل الذي يريد الجميع رؤيته قبل أن نبدأ الاختبار الميداني على نطاق واسع. إنها تتيح لك العرض بطريقة مثيرة للإعجاب حقا .

قال بيري إنه بينما تسارعت الكفاءة بوتيرة ملحوظة خلال العقد الماضي ، فقد تحسن استقرار هذه الأجهزة بشكل أبطأ. لكي تنتشر على نطاق واسع وتطرحها الصناعة ، يجب أن يصبح الاختبار أكثر تعقيدا. هذا هو المكان الذي تأتي فيه عملية الشيخوخة المتسارعة لـ Loo.

قال لو هذه الأنواع من الاختبارات ستكون ذات أهمية متزايدة. يمكنك صنع الخلايا الشمسية الأكثر كفاءة ، ولكن لا يهم إذا لم تكن مستقرة.

كيف وصلوا إلى هنا

في أوائل عام 2020 ، كان فريق Loo يعمل على العديد من بنى الأجهزة التي من شأنها الحفاظ على كفاءة قوية نسبيا - تحويل ما يكفي من ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية لجعلها ذات قيمة - والبقاء على قيد الحياة ضد هجمة الحرارة والضوء والرطوبة التي تقصف خلية شمسية خلال حياتها.

كان Xiaoming Zhao ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر Loo ، يعمل على عدد من التصميمات مع زملائه. وضعت الجهود مواد مختلفة من أجل تحسين امتصاص الضوء مع حماية المناطق الأكثر هشاشة من التعرض. لقد طوروا طبقة غلق رفيعة للغاية بين مكونين أساسيين: طبقة بيروفسكايت الممتصة وطبقة حاملة شحنة مصنوعة من ملح نحاسي ومواد أخرى. كان الهدف هو منع احتراق أشباه الموصلات البيروفسكايت في غضون أسابيع أو شهور ، وهو الأمر المعتاد في ذلك الوقت.

من الصعب فهم مدى رقة طبقة التغطية هذه. يستخدم العلماء المصطلح ثنائي الأبعاد لوصفه ، بمعنى بعدين ، كما هو الحال في شيء ليس له سمك على الإطلاق. في الواقع ، إنها مجرد ذرات قليلة - أصغر بمليون مرة من أصغر شيء يمكن للعين البشرية رؤيته. في حين أن فكرة طبقة السد ثنائية الأبعاد ليست جديدة ، إلا أنها لا تزال تعتبر تقنية واعدة وناشئة. أظهر العلماء في NREL أن الطبقات ثنائية الأبعاد يمكنها تحسين أداء المسافات الطويلة بشكل كبير ، لكن لم يطور أحد جهازًا يدفع البيروفسكايت إلى أي مكان قريب من العتبة التجارية البالغة 20 عاما.

خضع Zhao وزملاؤه لعشرات من التباديل لهذه التصميمات ، وقاموا بتغيير التفاصيل الدقيقة في الهندسة ، وتغيير عدد الطبقات ، وتجربة العشرات من تركيبات المواد. ذهب كل تصميم إلى صندوق الضوء ، حيث يمكنهم تشعيع الأجهزة الحساسة في ضوء ساطع لا هوادة فيه وقياس انخفاض أدائها بمرور الوقت.

في خريف ذلك العام ، مع انحسار الموجة الأولى من الوباء وعودة الباحثين إلى مختبراتهم لمتابعة تجاربهم في نوبات منسقة بعناية ، لاحظ تشاو شيئا غريبا في البيانات. يبدو أن مجموعة واحدة من الأجهزة لا تزال تعمل بالقرب من ذروة كفاءتها.

قال: لم يكن هناك أي انخفاض في الأساس بعد ما يقرب من نصف عام.

وذلك عندما أدرك أنه بحاجة إلى طريقة لاختبار الإجهاد لجهازه بشكل أسرع مما تسمح به تجربته في الوقت الفعلي.

قال تشاو: العمر الذي نريده هو حوالي 30 عاما ، لكن لا يمكنك أن تستغرق 30 عاما لاختبار جهازك. لذلك نحن بحاجة إلى طريقة ما للتنبؤ بهذا العمر في إطار زمني معقول. هذا هو السبب في أن هذه الشيخوخة المتسارعة مهمة للغاية .

تعمل طريقة الاختبار الجديدة على تسريع عملية الشيخوخة من خلال إضاءة الجهاز أثناء تفجيره بالحرارة. تعمل هذه العملية على تسريع ما يمكن أن يحدث بشكل طبيعي على مدار سنوات من التعرض المنتظم. اختار الباحثون أربع درجات حرارة للشيخوخة وقاموا بقياس النتائج عبر هذه التدفقات الأربعة المختلفة للبيانات ، من درجة حرارة خط الأساس ليوم صيفي نموذجي إلى درجة حرارة قصوى تبلغ 230 درجة فهرنهايت ، أعلى من درجة غليان الماء.

ثم قاموا باستقراء من البيانات المجمعة وتوقعوا أداء الجهاز في درجة حرارة الغرفة على مدى عشرات الآلاف من الساعات من الإضاءة المستمرة. وأظهرت النتائج جهازا يعمل بأكثر من 80 بالمائة من ذروة كفاءته تحت إضاءة مستمرة لمدة خمس سنوات على الأقل بمتوسط ​​درجة حرارة 95 درجة فهرنهايت. باستخدام مقاييس التحويل القياسية ، قال لو أن هذا يعادل مختبرا لمدة 30 عامًا من التشغيل في الهواء الطلق في منطقة مثل برينستون ، نيوجيرسي.

وافق بيري من NREL. قال: إنه أمر موثوق به للغاية. بعض الناس ما زالوا يريدون رؤيتها تتطور. لكن هذا علم أكثر مصداقية بكثير من محاولات أخرى للتنبؤ .

مايكل جوردان للخلايا الشمسية

كانت خلايا البيروفسكايت الشمسية رائدة في عام 2006 ، حيث تم نشر الأجهزة الأولى في عام 2009. واستمرت بعض الأجهزة الأقدم لثوان فقط. دقائق أخرى. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، نمت عمر الجهاز إلى أيام وأسابيع وأخيرا شهور. ثم في عام 2017 ، نشرت مجموعة من سويسرا ورقة بحثية رائدة على PSC استمرت لمدة عام كامل من الإضاءة المستمرة.

وفي الوقت نفسه ، ارتفعت كفاءة هذه الأجهزة بشكل كبير خلال نفس الفترة. بينما أظهر PSC الأول كفاءة تحويل الطاقة أقل من 4 في المائة ، عزز الباحثون هذا المقياس ما يقرب من عشرة أضعاف في عدة سنوات. كان هذا أسرع تحسن شهده العلماء في أي فئة من تكنولوجيا الطاقة المتجددة حتى الآن.

فلماذا الضغط على البيروفسكايت؟ قال بيري إن مجموعة من التطورات الحديثة تجعلها مرغوبة بشكل فريد: كفاءات عالية جديدة ، و ضبط غير عادي يسمح للعلماء بعمل تطبيقات محددة للغاية ، والقدرة على تصنيعها محليًا بمدخلات طاقة منخفضة ، والآن توقع موثوق به لحياة ممتدة مقترنة مع عملية تقادم معقدة لاختبار مجموعة واسعة من التصاميم.

قال Loo إن الأمر لا يتعلق بأن PSCs ستحل محل أجهزة السيليكون لدرجة أن التكنولوجيا الجديدة ستكمل الأجهزة القديمة ، مما يجعل الألواح الشمسية أرخص وأكثر كفاءة وأكثر متانة مما هي عليه الآن ، وتوسع الطاقة الشمسية إلى مجالات جديدة لا توصف من الحياة الحديثة. على سبيل المثال ، عرضت مجموعتها مؤخرا فيلما شفافا تماما من البيروفسكايت (له كيمياء مختلفة) يمكنه تحويل النوافذ إلى أجهزة منتجة للطاقة دون تغيير مظهرها. وجدت مجموعات أخرى طرقا لطباعة الأحبار الكهروضوئية باستخدام البيروفسكايت ، مما يسمح بعوامل الشكل التي يحلم بها العلماء الآن فقط.

لكن الميزة الرئيسية على المدى الطويل ، وفقا لكل من Berry و Loo: يمكن تصنيع البيروفسكايت في درجة حرارة الغرفة ، بينما يصنع السيليكون عند حوالي 3000 درجة فهرنهايت. يجب أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما ، وهذا يعني في الوقت الحالي حرق الكثير من الوقود الأحفوري.

أضاف بيري هذا: نظرا لأنه يمكن للعلماء ضبط خصائص البيروفسكايت بسهولة وعلى نطاق واسع ، فإنهم يسمحون للمنصات المختلفة بالعمل معا بسلاسة. قد يكون هذا أمرًا أساسيًا في سيليكون الزفاف مع المنصات الناشئة مثل الأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية العضوية ، والتي حققت أيضًا تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة.

قال: إنه يشبه إلى حد ما مايكل جوردان في ملعب كرة السلة. رائع بمفرده ، ولكنه أيضًا يجعل جميع اللاعبين الآخرين أفضل.