نجح فريق بحث دولي بقيادة جامعة كانازاوا في تطوير خلايا شمسية عضوية بالكامل تتميز بكفاءة تحويل طاقة بلغت 8.7%، أي أكثر من ضعف الأداء السابق الذي لم يتجاوز 4%. وقد تم تحقيق هذا التقدم من خلال اعتماد تقنية جديدة للأقطاب الكهربائية وطرق تصنيع مبتكرة تضمن سلامة الطبقات العضوية داخل الخلية.
- الحاجة إلى بدائل أكثر أمانا وصداقة للبيئة
مع تسارع الجهود العالمية لمواجهة التغير المناخي، يتزايد الطلب على مصادر الطاقة المتجددة، وعلى رأسها الطاقة الشمسية. لكن معظم الألواح الشمسية الحالية المصنوعة من السيليكون تحتوي على مواد خطرة تطرح تحديات بيئية كبيرة عند التخلص منها أو إعادة تدويرها، بسبب التكلفة المرتفعة والمخاطر المصاحبة.
الأمر ذاته ينطبق على تقنيات الخلايا الشمسية الحديثة مثل خلايا البيروفسكايت، والتي رغم كفاءتها العالية، إلا أنها تحتوي على مركبات سامة مثل الرصاص وأكاسيد المعادن، مما يثير مخاوف تتعلق بالاستدامة طويلة الأمد وسلامة البيئة.
- الخلايا الشمسية العضوية: خيار صديق للبيئة
في ظل هذه التحديات، يتوجه الباحثون نحو تطوير خلايا شمسية عضوية بالكامل، تعتمد على مواد كربونية خالية من المعادن الثقيلة السامة، ويمكن حرق هذه المواد العضوية بأمان مثل البلاستيك العادي، مما يجعلها خيارا بيئيا مثاليا من حيث التكلفة الكلية ودورة الحياة.
ورغم هذه المزايا البيئية، فإن الخلايا الشمسية العضوية كانت تعاني من كفاءة تحويل طاقة منخفضة، لم تتجاوز 4% مقارنةً بخلايا السيليكون (>27%) وخلايا البيروفسكايت (>26%)، مما قلل من جاذبيتها التجارية.
- الإنجاز الياباني: رفع الكفاءة إلى 8.7%
تمكن الأستاذ المساعد ماساهيرو ناكانو من كلية الكيمياء بجامعة كانازاوا، بالتعاون مع شركة REIKO الكندية وجامعة كوينز في كندا، من تحقيق طفرة في كفاءة الخلايا الشمسية العضوية، متجاوزين بذلك حاجز الأداء السابق بأكثر من الضعف.
- التغلب على التحديات التقنية: الأقطاب الشفافة والطبقات المتعددة
كانت هناك عقبتان رئيسيتان أمام تحسين أداء هذه الخلايا:
1. محدودية المواد العضوية الشفافة والموصلة للكهرباء: فالمواد المتاحة سابقًا كانت تتطلب استخدام أحماض قوية أو درجات حرارة عالية تزيد عن 150 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تلف الطبقات العضوية الحساسة.
الحل: تطوير قطب شفاف باستخدام البوليمر الموصل PEDOT:PSS، الذي يمكن تصنيعه بدرجة حرارة منخفضة (80 درجة مئوية) دون الحاجة إلى أحماض أو قواعد، مع احتفاظه بموصلية كافية (مقاومة سطحية <70 أوم/مربع).
2. تلف الطبقات السفلية أثناء التصنيع: حيث تؤدي عمليات الترسيب السائلة إلى إلحاق ضرر بالطبقات العضوية الموجودة مسبقا.
الحل: ابتكار تقنية تصفيح جديدة باستخدام أقطاب من أنابيب الكربون النانوية، تتيح تصنيع الأقطاب بشكل منفصل ومن ثم تثبيتها على الخلية دون إتلاف الطبقات السفلية.
- نحو تطبيقات أوسع ومستقبل أكثر إشراقا
تُعد الخلايا الشمسية العضوية الجديدة مثالية للاستخدام في المناطق الحساسة بيئيًا، مثل الأراضي الزراعية، وكذلك في الأجهزة القابلة للارتداء بفضل خفة وزنها ومرونتها. كما يمكن تركيبها في مواقع يصعب فيها استخدام الألواح الشمسية التقليدية.
ويأمل فريق البحث في تحسين الأداء أكثر من خلال تطوير موصلية الأقطاب العضوية، مما يعزز فرص دمج هذه التكنولوجيا في السوق كمصدر طاقة نظيف وآمن وفعال.