لقد أعطى الجرافين خلايا البيروفسكايت الشمسية الشيء الوحيد الذي كانت تفتقده: البقاء في السلطة

لسنوات عديدة، كانت خلايا البيروفسكايت الشمسية هي مصدر الطاقة المتجددة المفضل في العالم. إنها رخيصة. إنها سهلة الصنع. يستمرون في تحطيم الأرقام القياسية للكفاءة في المختبر. يبدو مثاليا، أليس كذلك؟ هناك مشكلة كبيرة. إنهم ينهارون. سريع.

تتلف خلايا البيروفسكايت الشمسية بسرعة كبيرة نتيجة التعرض للرطوبة الخارجية. سوف تتسبب الرطوبة والحرارة المفرطة المقترنة بأشعة الشمس في تحلل معظم خلايا البيروفسكايت في غضون أسابيع أو أشهر فقط بعد التعرض الأول. لقد فشلت خلايا البيروفسكايت الشمسية في أن تكون تكنولوجيا الطاقة الشمسية الواعدة التي كانت تبدو عليها من قبل، ولن تفي بمتطلبات الجودة القياسية لمنتج الطاقة الشمسية الذي يمكن استخدامه في هذا المجال. لذلك، في حين كان هناك اهتمام كبير ودعاية حول خلايا البيروفسكايت الشمسية، لا توجد فرص تجارية لهذه التكنولوجيا الجديدة اليوم (على سبيل المثال، أسطح المنازل ومنشآت الطاقة الشمسية الكبيرة).

يعتقد عدد متزايد من علماء المواد والمهندسين العاملين في شركات تطوير جديدة أنهم حددوا مادة جديدة محتملة ستوفر طريقة لمعالجة مشكلات التحلل المرتبطة بخلايا البيروفسكايت الشمسية، وهي الجرافين. يتمتع الجرافين ببعض الخصائص الفيزيائية المختلفة جدًا والتي تسمح له بتجنب المشاكل المرتبطة بمواد الخلايا الشمسية الأخرى.

الجرافين هو في الأساس طبقة واحدة من ذرات الكربون، مرتبة مثل سلك الدجاج. إنه شفاف تمامًا تقريبًا، وأرق من أي شيء يمكنك تخيله، ولكنه أقوى بحوالي 200 مرة من الفولاذ. ويصادف أيضًا أنه أفضل موصل كهربائي حلمت به الطبيعة على الإطلاق - على الأقل في إعدادات المختبر.

والآن، هذا هو الجزء الذكي. اكتشف الباحثون أنه يمكنك وضع الجرافين فوق خلية البيروفسكايت، أو مزج قطع صغيرة منه في الطبقات المحيطة بالبيروفسكايت. تقوم هذه البطانية الكربونية الرقيقة بثلاثة أشياء مفيدة في وقت واحد.

أولاً، يعمل كمعطف مطر محكم الغلق. لا يمكن للأكسجين وبخار الماء التسلل عبر شبكة الجرافين. وهذا وحده يوقف الكثير من التفاعلات الكيميائية التي تقتل خلايا البيروفسكايت. وقد شهدت بعض الفرق أن الخلايا غير المحمية تموت خلال بضع مئات من الساعات، بينما تستمر الخلايا المغطاة بالجرافين في العمل لآلاف الساعات.

ثانيًا، يتميز الجرافين بقدرته المذهلة على التخلص من الشحنات الكهربائية. داخل الخلية الشمسية العاملة، يخلق ضوء الشمس أزواجًا من الإلكترونات سالبة الشحنة و"ثقوب" موجبة الشحنة. وإذا بقيت داخل البيروفسكايت لفترة طويلة جدًا، فإنها تسبب مشاكل - حيث يتم إعادة تجميعها بشكل هدر أو إثارة ردود فعل جانبية. تعمل قوة الجرافين الخارقة على التقاط تلك الشحنات وإخراجها بسرعة، مما يحمي الخلية ويعزز إنتاج الطاقة قليلاً.

ثالثًا - وهذا فاجأ الكثير من الناس - الجرافين يجعل البيروفسكايت أكثر صلابة جسديًا. إن تعرض البلورة لأشعة الشمس أثناء النهار متبوعًا بالتبريد ليلًا يخلق دورة متكررة من التسخين والتبريد مع الحد الأدنى من التمدد، وهذا الثني المتكرر سيؤدي في النهاية إلى حدوث شقوق مجهرية على طول حدود حبيبات بلورة السكر بسبب ما يعادل التجميد والذوبان على الأرصفة، وما إلى ذلك. الجرافين مادة صلبة بشكل لا يصدق من شأنها أن تسبب خلقًا أقل للشقوق لأنها تدعم المناطق الضعيفة في البنية البلورية. إذا تشكل صدع، فلن ينتقل بسرعة عبر البنية البلورية.

منذ وقت ليس ببعيد، كان كل هذا أكاديميًا بحتًا. يقضي طالب الدكتوراه أشهرًا في صنع خلية بيروفسكايت صغيرة مصنوعة يدويًا، ويضع قطعة من الجرافين فوقها بعناية، ثم يجري بضع مئات من الساعات من الاختبارات. لقد نجح الأمر، ولكن لم يكن أحد يعرف كيفية القيام بذلك على نطاق العالم الحقيقي.

هذا يتغير. لقد اكتشف المهندسون طرقًا لتصفيح صفائح الجرافين المعدة مسبقًا على وحدات البيروفسكايت التي يبلغ عرضها عدة سنتيمترات. ويقوم آخرون بزراعة الجرافين مباشرة على الخلية باستخدام طرق درجات الحرارة المنخفضة. وتتضمن بعض الأعمال الأكثر عملية خلط شظايا الجرافين المقطعة - والتي تسمى أحيانًا صفائح الجرافين النانوية - في الطبقات اللزجة القابلة للطباعة فوق وتحت البيروفسكايت. لا يحتاج هذا النهج إلى طبقة مثالية غير مكسورة من الجرافين. لا تزال شبكة فوضوية من رقائق الجرافين الصغيرة توفر لك معظم الفوائد، مقابل جزء صغير من التكلفة.

وتقوم مجموعة قليلة من الشركات الصغيرة، معظمها في الصين وأوروبا، ببناء خطوط إنتاج تجريبية بهدوء باستخدام هذه الأفكار. لم يعلنوا عن أرقام كبيرة بعد - فالصناعة لا تزال حذرة - لكن الأجواء في مؤتمرات الطاقة الأخيرة قد تغيرت. بدأ الناس يعتقدون أن هذا قد ينجح بالفعل خارج غرف الأبحاث.

إذا تمكنت خلايا البيروفسكايت المعززة بالجرافين من الوصول إلى الإنتاج الضخم، فإن اقتصادياتها تصبح مثيرة للاهتمام. إن ألواح السيليكون رخيصة الثمن بالفعل ـ نحو 10 إلى 15 سنتاً لكل واط ـ ولكن تصنيعها يتطلب أفراناً شديدة السخونة، ومواد كيميائية سيئة، وزجاجاً صلباً. ومن ناحية أخرى، يمكن طباعة خلايا البيروفسكايت مثل الصحف في درجة حرارة قريبة من الغرفة. والمواد الخام وفيرة ورخيصة. التكلفة المحتملة؟ ويهمس بعض المحللين بخمسة سنتات لكل واط أو حتى أقل.

وهذا من شأنه أن يخفض سعر الكهرباء الشمسية إلى النصف تقريبًا. ولكن هنا تكمن المشكلة – لن يشتري أحد لوحة تفشل بعد عامين. المرافق وأصحاب المنازل يريدون ضمانات لمدة 25 عاما. وبدون الجرافين، لا يستطيع البيروفسكايت حتى أن يحلم بذلك. بالنسبة للجرافين، تحتفظ النماذج الأولية الآن بأكثر من 90% من إنتاجها الأصلي بعد عدة آلاف من الساعات من الاختبارات القاسية والمتواصلة. لا يزال هذا أقل من 25 عامًا، لكنه يمثل تحسنًا بألف مرة عما كانت عليه التكنولوجيا قبل خمس سنوات فقط.

سبب آخر يجعل الناس متحمسين: المرونة. تنكسر رقائق السيليكون إذا نظرت إليها بشكل خاطئ. لكن يمكن طباعة طبقات البيروفسكايت والجرافين على رقائق بلاستيكية أو معدنية رقيقة. وهذا يفتح استخدامات جديدة جامحة. تخيل خلايا شمسية موضوعة على السقف المنحني لسيارة كهربائية، أو مخيطة في حقيبة ظهر لشحن هاتفك، أو ملفوفة حول جناح طائرة بدون طيار. يتلاعب بعض المهندسين المعماريين بنوافذ البيروفسكايت شبه الشفافة التي تولد الطاقة بينما تسمح بدخول الضوء.

لم يعد أي من هذا خيالًا علميًا بعد الآن. لقد نجت النماذج الأولية من آلاف الانحناءات دون بذل أي جهد. إن الجمع بين كفاءة البيروفسكايت وصلابة الجرافين وموصليته يفتح المجال للتطبيقات التي لا يستطيع السيليكون لمسها.

لنكن صادقين، الجرافين نفسه ليس مثاليًا. لا يزال صنع جرافين أحادي الطبقة عالي الجودة بشكل ثابت وبتكلفة زهيدة أصعب مما يبدو. لقد انخفضت الأسعار كثيرًا خلال العقد الماضي، لكنها ليست منخفضة بعد بما يكفي لتسويق الألواح الشمسية الأساسية. ولم يثبت أحد أن لوحة الجرافين والبيروفسكايت يمكن أن تدوم لمدة 20 عامًا في الهواء الطلق. هذا النوع من البيانات يستغرق وقتا.

ومع ذلك، فإن الزخم حقيقي. وتغطي الآن أكثر من مائة عائلة من براءات الاختراع تركيبات الجرافين والبيروفسكايت. تتدفق أموال الاستثمار إلى الشركات الناشئة التي اعتادت أن تكون موضع سخرية عند الخروج من الاجتماعات. حتى أن بعض كبار صانعي ألواح السيليكون يمولون بهدوء أعمال البحث والتطوير الخاصة بالبيروفسكايت، فقط في حالة حدوث قفزات في التكنولوجيا القديمة.

هذا ليس ضمانا. لكنها العلامة الأكثر تفاؤلاً التي شهدتها خلايا البيروفسكايت الشمسية منذ وقت طويل.