«كاوست» .. وأبحاث الطاقة الشمسية

تشهد البحوث المتعلقة بمادة البيروفسكيت تحسنا غير متوقع وذلك نتيجة لبحوث مركز الطاقة الشمسية في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية KAUST، ما يؤدي إلى تحسين جودة وكفاءة إمكانات الألواح الشمسية.
وقد خطت تقنية البيروفسكيت الكهروضوئية خطوة صغيرة أخرى إلى الأمام بفضل اكتشاف مزيج جديد بين مادتي البيروفسكيت والغلايكول، ما يتيح السيطرة بشكل أفضل على تشكيل الطبقة الرقيقة من خلال تحسين هيكل ومحاذاة حبيبات البيروفسكيت. حيث لوحظ تأثير هذا المزيج ــ على أنه "ينتج غشاء رقيقا أكثر اتساقا وذا هيكل وكفاءة أفضل".
"البيروفسكيت" هي مادة تضاف كطبقة رقيقة فوق الألواح الشمسية لحصاد موجات الضوء الأزرق التي تكمل الطاقة الحمراء التي تحصدها الألواح العادية تقليديا. والجمع بينها وبين مادة الغلايكول يزيد من إنتاجية وكفاءة "البيروفسكيت" بحيث تؤدي بشكل أكثر كفاءة في تطبيقات الخلايا الشمسية. كما يعمل هذا المزيج في درجات حرارة أقل من البدائل السابقة، ما قد يؤدي إلى خفض تكاليف التصنيع. ومع ذلك لا يزال هذا الابتكار يواجه تحديا للتكيف مع التطبيقات التجارية، حيث يشكل عدم استقرار "البيروفسكيت" تحديا يصعب التغلب عليه.
وتستطيع بلورات مادة البيروفسكيت الهجين التي تنمو على سطح ذي درجة حرارة متدرجة أن تتحكم في اتجاه التبلور، وهو الاكتشاف الذي يمكن أن يفتح الطريق أمام عديد من التطبيقات الجديدة في مجال الإلكترونيات أو البصريات. ويتمتع "البيروفسكيت الهجين" بالهندسة البلورية لمعادن البيروفسكيت الطبيعية نفسها، ولكن تحل فيه مجموعات كيماوية أخرى محل ذرات الكالسيوم، والتيتانيوم والأكسجين التي توجد في المعادن الطبيعية. وتخضع مادة البيروفسكيت هذه لدراسات مكثفة في مجموعة واسعة من التطبيقات الضوئية، مثل الخلايا الشمسية، والاستشعار البصري، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء، وتطبيقات الليزر. وقد كان استكشاف الإمكانات الكاملة لهذه المادة محدودا في السابق بسبب صعوبة الحصول على تجمع بلوري واحد كبير، خاصة من تلك التجمعات التي تتسم بالمحاذاة المنتظمة والمتماسكة من حيث نمو البلورات في اتجاه محدد.
وقد أعرب فريدريك لاكواي ــ رئيس فريق مركز الطاقة الشمسية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية ــ عن موقف المؤسسة من المضي قدما في هذا التحدي قائلا "لدينا عدة مجموعات في مركز الطاقة الشمسية التابع لجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية تعمل على هذه المسألة، وعلى الاحتياجات الأخرى لتطويرها تجاريا في المستقبل". وسلط الضوء على أن "البيروفسكيت" يعد مجالا بحثيا ذا أولوية عليا لدى فريق البحث والتطوير، وأن هذه المادة تظهر احتمالات للاستخدام خارج مجال الطاقة الشمسية أيضا. "يتمتع "البيروفسكيت" بعديد من الخصائص البصرية والإلكترونية المثيرة للاهتمام، التي قد تجعله مفيدا لتطبيقات لم تخطر على بالنا بعد".
كما سارع لاكاي إلى التأكيد على الطريقة التعاونية التي تدار بها المشاريع في مركز الطاقة الشمسية التابع لجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية، حيث إن أوجه التآزر بين المتخصصين من مختلف المجالات تشكل عاملا حفازا لنجاح أبحاثهم.
وتشمل خبرة المركز كامل سلسلة القيمة في الطاقة الشمسية من أول توليف الجزيئات إلى اختبار النماذج الأولية، وبما في ذلك الوقود الشمسي والحرارة الشمسية. ويضم ملف مشاريع المركز ثلاثة اتجاهات رئيسة للتطبيقات الشمسية المستقبلية: تحسين الكفاءة، وإضافة وظائف جديدة، وإنشاء مواد أقل تكلفة.
ويصنف مركز الطاقة الشمسية في جامعة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية أنشطته البحثية إلى عدة مسارات كما يلي:
الخلايا الضوئية العضوية: وفي هذا المسار يتم تطوير جزيئات ومواد جزيئية صغيرة جديدة، ويتم تقييم كفاءتها واستقرارها، وتدرس العمليات الضوئية المحددة لكفاءتها في الأجهزة بواسطة التقنيات الطيفية للحالة مستقرة والمؤقتة.
الخلايا الكهروضوئية غير العضوية: مواد ثنائية الأبعاد رقيقة جدا تحمل وعودا كبيرة للجيل القادم من الإلكترونيات النانوية والإلكترونيات الضوئية. والهدف منها هو تطوير الخلايا الضوئية ذات الكفاءة العالية على أساس وصلة موجب وسالب رقيقة ومرنة ذريا مع معالجة المشكلات الأساسية ذات الصلة.
البيروفسكيت / الخلايا الكهروضوئية الضوئية الهجين: يركز البحث في هذا المسار على كل من طرق التصنيع المتوافقة مع المساحات الكبيرة وكذلك أنظمة البيروفسكيت الجديدة ونظم مواد نقل/ استخراج الشحنات التي يمكن معالجتها باستخدام تقنيات الترسيب نفسها.
الوقود الشمسي: تطوير مواد تحفيز ضوئي جديدة وأنظمة أجهزة ذات كفاءة تحويل عالية، تلك الأجهزة عالية الكفاءة التي تستخدم السيليكون أو البنى الضوئية العضوية في إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهروكيميائي للمياه.
المشاريع التعاونية مع المؤسسات الأكاديمية: يستضيف مركز الطاقة الشمسية التابع لجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية عدة مشاريع تعاونية مع شركاء بحث دوليين، بما في ذلك جامعة تورونتو، وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، وجامعة ولاية كارولينا الشمالية، ومعهد ماكس بلانك للبحوث البوليمرية في ألمانيا.