مستقبل مشكّل بالنقاط للطاقة الشمسية في الشرق الأوسط

يشهد الشرق الأوسط تحولاً طبيعيًّا في التركيز على الطاقة الشمسية، فالمنطقة هي من أكثر المناطق حرارة في العالم، وفيما يبدو أن الاستفادة من هذا المناخ منطقية، إلا أن الخلايا الشمسية القياسية تثبت عدم كفاءتها.

يتحدث آرام أماسيان -المختص بعلم المواد وهندستها في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) في ثول، المملكة العربية السعودية- عن الفجوة بين مستوى أشعة الشمس المتاحة وكمية الطاقة المنتجة، قائلاً: "إننا ببساطة لا نحول من أشعة الشمس الكمية التي نستطيع تحويلها".

ويوضح أن أفضل الخلايا الشمسية اليوم مبنية من المواد شبه الموصلة –وهي عادة السيليكون أو (سيلينيد نحاس إنديوم غاليوم) CIGS– وهي تفقد عادة 80 في المائة فصاعدًا من الطاقة الشمسية التي تصل إليها. المواد المستخدمة لصناعة الخلايا الشمسية تمتص الضوء المرئي بشكل رئيسي، ولكن في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا "في المنطقة تحت الحمراء من الطيف لدينا الكثير من الضوء والحرارة اللذين لا تمتصهما الخلايا الشمسية"، كما يقول أماسيان.

وهنا يأتي دور نقاط الكمّ.

أُنتجت هذه البلورات النانوية شبه الموصلة صناعيًّا للمرة الأولى في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، وأظهرت ميّزات مثيرة للاهتمام. فعلى سبيل المثال، عند انكماشها إلى المقياس النانوي، "تتغير الخصائص الفيزيائية لهذه المواد عن تلك التي تظهرها عادة في الطبيعة"، كما يقول أماسيان. وبشكل خاص، يمكن ضبطها لامتصاص الضوء بأطوال موجات متفاوتة عن طريق تغيير حجم نقاط الكمّ.

يمكن لنقاط متعددة، فيما بينها، أن تغطي كامل طيف الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء التي سبق إهدار طاقتها.

في العقد الماضي، أُنجِزَ قدر كبير من العمل في محاولة لدمج نقاط الكمّ ضمن الخلايا الشمسية لابتكار "الحل الشامل للطيف، الذي يستغل الطبيعة الكاملة عريضة النطاق لأشعة الشمس"، وفق قول إدوارد سارجنت، مهندس الكهرباء والمختص بعلم المواد في جامعة تورونتو (UofT) في أونتاريو، كندا. وهناك ميزة تجارية كبيرة هي أن نقاط الكم تُصنع من مواد متاحة بسهولة، مثل الجرمانيوم، مما يحافظ على انخفاض تكاليف التصنيع. 

كما أن عملية دمجها في الخلايا الشمسية منخفضة التكاليف نسبيًّا، مقارنة بالتقنيات القياسية الحالية. في الوقت الحالي، يتم تصنيع الخلايا الشمسية القياسية من مواد باهظة الثمن أو نادرة في غرف تخلية غير ملوثة –وهي معدات متخصصة مكلفة. في المقابل، تُعلَّق نقاط الكمّ في سائل يمكن رشه أو جعله يغلّف شريحة فيلمية رقيقة على عدة طبقات، دونما حاجة إلى التخلية.

يقول أماسيان: "يمكن ترسيبها بنفس سهولة استخدام الحبر في طباعة الصحف"، ويضيف: "هذا هو التغيير الحقيقي لقواعد اللعبة، الذي يجعل نقاط الكمّ على صلة بالتطبيقات الصناعية".

دعم الطاقة

هذا التزاوج بين تقنيات النانو وتقنيات مستقبل الطاقة أمر حيوي حقًّا لكسر حدّ الطاقة التي يمكننا الحصول عليها من الخلايا.

ولكن نقاط الكمّ ليست مستعدة تمامًا للوجود في المسار الرئيسي. تحوّل خلايا السيليكون الشمسية المعيارية 15-20 في المائة من أشعة الشمس الواردة إلى طاقة قابلة للاستخدام. تصل كفاءة تحويل الطاقة الشمسية بواسطة خلايا تعتمد فقط على نقاط الكمّ إلى 8 في المائة فحسب– وهي النسبة التي حققها في وقت سابق من هذا العام كل من سارجنت، أماسيان وسواهما في تعاون بحثي دولي1. وقبل ذلك، كانت المشكلة الكبرى هي فقدان وظيفة النقاط عند تعرضها للهواء. تمكن الفريق من التغلب على هذه المشكلة بابتكار طبقة فيلمية واقية من ذرات اليود في النقاط، مما أسهم في تحسين استقرارها وأدائها. 

ولكي تصبح التكنولوجيا قادرة على المنافسة تجاريًّا، يجب تحسين هذه الكفاءة. يبحث العلماء في جميع أنحاء المعمورة عن حلول، باختبار مواد مختلفة لنقاط الكمّ، وعن طرق لدمجها في الأفلام.

إحدى المشكلات أن نقاط الكمّ كثيرًا ما تُرشّ على الأفلام بشكل عشوائي، مما قد يترك ثغرات في الخلية يمكن أن تنْفذ من خلالها أشعة الشمس دون أن يتم التقاطها. 

في عام 2013، عرض الأستاذ الدكتور عمار نايفة وطالب الدكتوراه عمرو الخطيب -من قسم الهندسة الكهربائية في معهد مصدر للعلوم والتكنولوجيا في أبو ظبي- وسيلة غير مكلفة لبناء منظومة من النقاط. فقد ابتكرا نمطًا من الفجوات على سطح رقاقة السيليكون، ورسّبوا طبقة رقيقة من الجرمانيوم، ثم أتاحوا لنقاط الكمّ "تجميع ذاتها" في تلك الأفضية2.

وعن فائدة تلك الوسيلة يقول نايفة: "من المهم أن تكون قادرًا على وضع النقاط بطريقة لطيفة مرتبة، بحيث تتمكن عند بيعها أن تخبر العملاء بدقة عن مدى الكفاءة التي ستكون عليها الخلايا الشمسية".

لدى أماسيان ثقة في أن الأداء سيستمر بالتحسن، فهو يقول: "لقد كان مسار الخلايا الشمسية المزودة بنقاط الكمّ مميزًا، وهو يتحسن بمعدل سنوي خجول يداني نقطة مئوية واحدة"، ويتابع: وقد تتمثل أفضل استراتيجية على المدى القريب في الجمع بين طبقات من نقاط الكمّ مع السيليكون المعياري أو مع الخلايا الشمسية الفيلمية الرقيقة المتوفرة حاليًّا؛ لكي تلتقط بعضًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي تضيعه الخلايا التقليدية.

يوافق نايفة على أن دمج نقاط الكمّ مع تكنولوجيا الخلايا الشمسية السيليكونية المتوفرة سيكون الخيار الأسهل على المدى القصير، ويقول: "يبدو أمر إضافة نقاط الكمّ إلى الخلايا القياسية بسيطًا نسبيًّا من أجل الحصول على المزيد من المردود لقاء المال المدفوع"، ويضيف: "هذا التزاوج بين تقنيات النانو وتقنيات مستقبل الطاقة أمر حيوي حقًّا لكسر حدّ الطاقة التي يمكننا الحصول عليها من الخلايا".

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.