النواحي الجمالية في اللوحات الشمسية

مع تأكيد الشركة السعودية للكهرباء الجاهزية التامة لفتح طلبات التقديم المبدئي على خدمة الخلايا الشمسية الكهروضوئية الصغيرة للمنازل والمنشآت، تأتي أهمية أشكال التصاميم التي لها دور وتأثير كبير في النظام البيئي والعمليات الحياتية. وإضافة إلى الاهتمام بالتكلفة، يهتم المستهلكون والمهندسون المعماريون أيضا بجماليات اللوحات الشمسية التي يتم تثبيتها على أسطح المنازل، بل إنهم على استعداد لتحمل المقايضة بين المظهر العام وتكلفة الكهرباء. وغالبا ما يجد العلماء صعوبة في قبول ذلك، لكن لأنه لا يمكن تجاهل الجوانب الشكلية، فيجب أن نستهدف التعاون الأعمق مع المصممين. أول لون يتبادر إلى الذهن عندما يفكر الناس في الألواح الشمسية هو الأزرق، ويأتي هذا اللون الأزرق من طبقة الطلاء المضادة للانعكاس، والمصنوعة من نيتريد السيليكون SiN بسمك محدد يتناسب مع الطول الموجي لأشعة الشمس الساقطة. وعادة ما يتم تحسين الخواص المضادة للانعكاس؛ لتناسب طول موجي 600 نانومتر، الذي يمثل الحد الأقصى لشدة أشعة الشمس. ومن وجهة النظر الصناعية، نجد أنه من السهل تغيير سمك طبقة الطلاء من نيتريد السيليكون SiN لإنتاج أي لون مرغوب فيه تقريبا. وتوفر بعض الشركات بالفعل لوحات من اللون الوردي والأصفر والأخضر والأحمر. وبالطبع، تأتي الألوان المختلفة على حساب القدرة على إنتاج الطاقة. ويتعامل الباحثون في جامعة آلتو الفنلندية مع تحدي الطاقة عبر استخدام تقنية النانو في تصنيع الخلايا الشمسية، التي يمكن تطبيقها على مختلف المواد والتقنيات الضوئية. فعلى سبيل المثال، يعملون حاليا على فكرة جديدة تتمثل في إضافة بنى نانونية محددة على خلايا السيليكون؛ للتمكين من الأداء المتفوق في امتصاص الضوء. وفي الآونة الأخيرة، أثبتوا للمرة الأولى أنه لا يوجد داع للمقايضة بين القدرة على الامتصاص وإنتاج الطاقة؛ حيث تمكن هذه التقنية من تصنيع خلايا شمسية أكثر كفاءة، وبالتالي ساعات كيلوواط أقل تكلفة. علاوة على ذلك، فإن السطح النانوي يعطي هذه الخلايا مظهرا أنيقا بفضل اللون الأسود. وقد انتقل اختراع الباحثين في جامعة آلتو من المفهوم إلى الواقع. وقبل بضع سنوات فقط حقق الباحثون كفاءة قياسية قدرها 22 في المائة في المختبر للخلايا الشمسية ذات البنية النانونية المصنوعة باستخدام ترسيب الطبقة الذرية. والآن بمساعدة الشركاء الصناعيين وبفضل التعاون الأوروبي المشترك، تم تصنيع باكورة النماذج الأولية على خط إنتاج صناعي. وفي الواقع، يطلق على عام 2018 "عام السيليكون الأسود" بسبب توسعه السريع في مجال الطاقة الكهروضوئية. وبفضل السيليكون الأسود، أصبح من الممكن استخدام منشار السلك الماسي في السيليكون متعدد البلورات، ما يقلل من التكاليف والأثر البيئي. ومع ذلك، لا يزال هناك مجال كبير للتحسين؛ لأن السيليكون الأسود الحالي المستخدم في الصناعة يتكون من بنى نانونية ضحلة، تؤدي إلى خواص بصرية دون المستوى الأمثل، ويتطلب إضافة طبقة منفصلة مضادة للانعكاس. ويتمثل منهج جامعة آلتو في استخدام بنى نانونية عميقة تشبه الإبرة لصنع سطح مثالي من الناحية البصرية، ويغني عن الحاجة إلى الطلاء المضاد للانعكاس. بيد أن الإنتاج الصناعي لهذه البنى النانونية لم يكن مهمة سهلة؛ حيث ساد القلق من أن مثل هذا الهيكل الهش لن يتحمل الإنتاج الضخم متعدد الخطوات؛ بسبب المعالجة القاسية بواسطة الروبوتات وعمليات تصفيح الوحدات. ولحسن الحظ، اتضح أن هذه المخاوف لا تشكل أي مشكلة. وخرجت الخلايا والوحدات سوداء تماما من خطوط الإنتاج، ولم تحمل علامات لأي ضرر. وسجلت أفضل وحدة من حيث إنتاج الطاقة إنتاجا فاق 20 في المائة من الكفاءة. وإضافة إلى الخواص الجمالية الممتازة، فقد فوجئ الباحثون إيجابيا بأن خلاياهم السوداء كانت لها فوائد إضافية غير متوقعة، مثل القدرة العالية على تحمل الشوائب، والاستقرار الأفضل على المدى الطويل مقارنة بالخلايا المرجعية القياسية الصناعية.