الخلايا الكهروضوئية النسيجية
|
تلعب الخلايا الكهروضوئية المتوافقة مع النسيج دورا حاسما كمصدر مستمر للطاقة في الأجهزة القابلة للارتداء. وعلى النقيض من أنواع تقنيات حصاد الطاقة الأخرى فإنها تستطيع حصاد ما يكفي من الكهرباء "بقدرة الملي واط" لأجهزة يمكن ارتداؤها من خلال الاستفادة من القماش نفسه كلوح للخلايا الكهروضوئية.
حيث تم تطوير جهاز ضوئي رقيق جدا قابل للتمدد ومقاوم للماء ويمكن استخدامه كخلايا ضوئية إلكترونية نسيجية يمكن ارتداؤها من قبل علماء من معهد الأبحاث الياباني لعلوم المواد الناشئة في سايتاما باليابان ومن جامعة طوكيو.
قام علماء معهد البحوث الياباني وجامعة طوكيو بتطوير خلايا كهروضوئية رقيقة جدا ملفوفة في أغشية قابلة للتمدد ومقاومة للماء، ويمكنها أن تستمر في توليد الكهرباء الشمسية حتى بعد غمرها في الماء أو تعرضها للإجهاد الميكانيكي مثل التنظيف في الغسالات الكهربائية.
ولأن المواد الرقيقة جدا القابلة للتمدد التي يمكن نسجها في الأقمشة القابلة للارتداء غالبا ما تتمتع بالنفاذية، فقد توصل العلماء إلى طلاء مصنوع من المطاط الصناعي القائم على الأكريليك، بحيث يمنع تسرب المياه في حين يسمح بنفاذ الضوء.
وقد أخضع الباحثون الخلايا الكهروضوئية لمجموعة متنوعة من الاختبارات، ووجدوا أولا أنها تتمتع بكفاءة طاقة قوية بنسبة 7.9 في المائة، ما ينتج تيارا قدره 7.86 ميجاواط/سم2، حيث كانت كثافة التيار 13.8 ميجاواط/سم2 عند 0.57 فولت، استنادا إلى محاكاة ضوء الشمس بقدرة 100 ميجاواط/سم2.
وانخفضت كفاءة الأجهزة المطلية مزدوجة الجانب فقط بنسبة 5.4 في المائة بعد الغمر في الماء لمدة 120 دقيقة. وعلاوة على ذلك فإن كفاءة الأجهزة ظلت عند 80 في المائة من القيمة الأولية حتى بعد 52 في المائة من الضغط الميكانيكي لمدة 20 دورة خلال 100 دقيقة من التعرض للمياه، وذلك بحسب النتائج البحثية المنشورة في مجلة ناتشر للطاقة.
والخلايا الضوئية النسيجية الجديدة المطلية على كلا الجانبين بالمطاط الصناعي التي تتمتع بقابلية التمدد والاستقرار في الماء قادرة على الحفاظ على كفاءة عالية تصل إلى 7.9 في المائة.
وهناك ثلاث سمات مهمة تتصف بها الخلايا الكهروضوئية النسيجية وهي:
1 ـ الاستقرار البيئي.
2 ـ كفاءة الطاقة.
3 ـ المتانة الميكانيكية.
ومع ذلك فإن تحقيق هذه السمات جميعا معا لا يزال صعبا بسبب انخفاض خصائص حجز الغازات في الركائز فائقة الرقة. وما نتناوله هنا هو الخلايا الكهروضوئية العضوية فائقة المرونة المطلية من كلا الجانبين بالمطاط الصناعي التي تحقق في وقت واحد قابلية التمدد والاستقرار في الماء مع الحفاظ على درجة كفاءة عالية تبلغ 7.9 في المائة.
ولا تنخفض كفاءة الأجهزة المطلية من كلا الجانبين سوى بنسبة 5.4 في المائة فقط بعد الغمر في الماء لمدة 120 دقيقة. وعلاوة على ذلك فإن كفاءة هذه الأجهزة تظل عند 80 في المائة من القيمة الأولية حتى بعد الضغط الميكانيكي بنسبة 52 في المائة لمدة 20 دورة خلال 100 دقيقة من التعرض للمياه.
ومن أهم متطلبات إنترنت الأشياء ــ المصطلح الذي يشير إلى عالم تكون فيه الأجهزة من جميع الأنواع متصلة بالإنترنت ــ تطوير مصادر طاقة لمجموعة من الأجهزة بما في ذلك الأجهزة التي يمكن ارتداؤها على الجسم. ووفقا لتاكاو سوميا ــ رئيس مجموعة البحث ــ يمكن أن تشمل هذه الأجهزة أجهزة الاستشعار التي تسجل نبضات القلب ودرجة حرارة الجسم على سبيل المثال، ما يوفر تحذيرا مبكرا عن المشكلات الطبية. وفي الماضي بذلت محاولات لتصنيع الخلايا الكهروضوئية التي يمكن دمجها في المنسوجات، لكنها عادة ما كانت تفتقر إلى واحد على الأقل من الخصائص المهمة للاستقرار طويل المدى في كل من الهواء والماء، وتحقيق كفاءة الطاقة والمتانة بما في ذلك مقاومة تعديل الشكل التي تعد أساسا للأجهزة الناجحة.
وقد صرح تاكاو سوميا أن هذه الخلايا يمكن أن تستخدم لتوفير الطاقة لأجهزة المراقبة الصحية المنسوجة في الملابس والقادرة على تسجيل نبضات القلب ودرجة حرارة الجسم، وتوفير التحذير المبكر عن المشكلات الطبية.
وتحتاج هذه الأجهزة الطبية المدمجة في النسيج إلى إمدادات طاقة ثابتة تبلغ عدة ميلي واط أو أكثر لجمع البيانات باستمرار، وستكون الخلايا الكهروضوئية النسيجية الجديدة قادرة على تلبية تلك الحاجة.
ويقول كينجيرو فوكودا من المركز الياباني لعلوم المواد الناشئة "لقد كان من دواعي سرورنا أن نجد أن الجهاز الذي ابتكرناه يتمتع بالاستقرار البيئي الكبير وفي الوقت نفسه بالكفاءة الجيدة والمتانة الميكانيكية. ونحن نأمل كثيرا أن تفتح هذه الخلايا الكهروضوئية العضوية القابلة للغسيل وخفيفة الوزن والقابلة للتمديد سبيلا جديدا لاستخدامها كمصدر طويل المدى للطاقة اللازمة لأجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها وغيرها من الأجهزة".
وحيث إن رقائق الطاقة المنخفضة الدقيقة والوحدات اللاسلكية للأجهزة القابلة للارتداء تحتاج إلى إمدادات طاقة تبلغ بضعة إلى عدة ميليواط، فإن وحدات الخلايا الكهروضوئية العضوية القابلة للغسيل تعد بأن تكون مصدر الطاقة المثالي لأنواع كثيرة من الأجهزة القابلة للارتداء.