تطوير خلايا شمسية مطاطة عالية الكفاءة من السيليكون

بحسب الوكالة الدولية للطاقة المتجددة فإن العالم يواجه اليوم نقطة تحوُّل غير مسبوقة حيث يمثِّل تغيُّر المناخ تهديداً حقيقياً للرخاء الذي يتمتّع به، ومن هنا تكتسب أبحاث الطاقة المتجددة ومنها الطاقة الشمسية أهمية كبرى. فإضافة إلى مساهمتها في الحدّ من تغيُّر المناخ، تؤدّي تقنيات الطاقة المتجددة إلى خلق فرص العمل والحدّ من تلوّث الهواء، فضلاً عن الحاجة إلى كميات أقل من المياه، وحماية اقتصادات الدول من الصدمات الخارجية فيما يتعلّق بأمن الطاقة بحكم أنها تقتصر على استخدام الموارد المحلية.
في المنطقة العربية تبرز المملكة العربية السعودية كإحدى الدول الرائدة التي تولي اهتماما كبيرا بتقنيات الطاقة المتجددة، وفي هذا الإطار ابتكر باحثون من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) أخيرا وسيلة لتحويل السيليكون الصلب إلى خلايا شمسية يمكن أن تتمدّد بنسبة مئوية غير مسبوقة تبلغ 95%، وتُحقق في الوقت ذاته كفاءة عالية في تجميع الطاقة الشمسية تبلغ 19%.
ورغم أنه يجري حاليًّا اختبار عدد من المواد الشمسية الجديدة، يظل السيليكون مادة مفضلة إلى حدٍّ بعيد في مجال الكهروضوئيات. وتقول الدكتورة نازك العتاب، باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبرات البروفيسور محمد مصطفى حسين، أستاذ الهندسة الكهربائية بكاوست الذي قاد البحث: «لا يزال السيليكون البلّوري الأحادي المادة الأثيرة في مجال الكهروضوئيات نظرا لتكلفته المنخفضة وعدم سمّيته ودرجة ثباته الممتازة وحسن كفاءته ورسوخ إجراءات التصنيع».
غير أن أحد عيوب السيليكون، التي تظهر مع تطبيقات معيّنة، تتمثل في صلابته، وذلك على عكس بعض الخلايا الشمسية رقيقة الأغشية. ومع ذلك، فإن هذه الخلايا المرنة إما تتكون من مواد عضوية منخفضة التكلفة والكفاءة، وإما من مواد غير عضوية أكثر كفاءة ولكنها مكلّفة للغاية.
وقطع حسين وفريقه خطوة مهمة في اتجاه التغلّب على هذا القيد، بتطوير خلايا شمسية مطاطة عالية الكفاءة على أساس السيليكون.
كانت الخطوة الأساسية تتمثّل في أخذ لوح من السيليكون الصلب المتوافر تجاريًّا، وتغطية الجزء الخلفي منه ببوليمر عالي المرونة وغير مكلّف ومتوافق حيويًا، يُعرف ب«الإيكوفلكس». ثم استخدم الفريق شعاعًا من الليزر لتقطيع الخلية الصلبة إلى قطع متعددة من السيليكون، جُمعت معًا بالبطانة البوليمرية المرنة. وظلت كل بقعة من بقع السيليكون متصلة كهربيًّا بجاراتها عبر نقاط تماس خلفية تمتد بطول الخلية الشمسية المرنة.
ويقول حسين، إن الفريق صنع في البداية قطع سيليكون مستطيلة الشكل، أمكن مطّها بنسبة تصل إلى 54%. ويضيف: «فيما وراء هذه القيمة، أدّى إجهاد التمدّد إلى تشققات قطرية داخل قطع السيليكون الهشة». وقد جرّب الفريق تصميمات مختلفة لزيادة المرونة بدرجة أكبر، مع مراعاة أن كل شريحة من السيليكون أزالوها كانت تقلل المساحة المتاحة لالتقاط الضوء.
وقد جرَّب الفريق نمطا معيَّن الشكل، قبل أن يستقر على المثلّثات. ويقول حسين: «باستخدام النمط المثلثي، حققنا مرونة وكفاءة قياسيتين عالميتين».
ويضيف حسين: «يمكن أن تتمدّد الخلايا الشمسية التي توصّلنا إليها بشكل رئيسي في اتجاه واحد، بالتوازي مع شبكة نقاط التماس الخلفي المتشابكة. ونحن نعمل على تحسين القدرة على التمدد في اتجاهات متعددة».
هذا الابتكار جعل الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون البلّوري فعَّالة عند دمجها في إلكترونيات مطاطة قابلة للارتداء، أو في الجلد الصناعي للإنسان الآلي، وذلك بدرجة فاعليتها نفسها عند استخدامها كألواح صلبة على الأسطح. ويخطّط الفريق لدمج مادة السيليكون الشمسية المرنة لتزويد جلد اصطناعي متعدّد الحواس طوّره مختبر حسين بالطاقة.