الخلايا الشمسية.. المستقبلية

محمد الجوهرى ( ابو جنة ) · #1 20-04-2008, 20:50

أوشكت الطاقة الشمسية أن تصبح مصدراً يعتمد عليه للطاقة فقد ابتكر مهندسون كهربائيون أمريكيون طريقة لصنع خلايا شمسية لو وضعت جنباً إلي جنب مع الأجهزة الأخري الحديثة. لأصبحت مصدراً اقتصادياً جداً للطاقة المستقبلية.
ويدفع ذلك العلماء إلي صنع نوعية جديدة من الخلايا الشمسية التي ليست في نفس كفاءة المصادر التقليدية ولكن أرخص منها بكثير وأكثر فائدة واستخداماً والمعروف أن الخلايا الشمسية solar cells أو الخلايا الفوتوفلطية photovoltaic cells تحول الضوء إلي كهرباء ويمكنها تشغيل الكثير من الأجهزة من الحواسيب "الكمبيوترات" إلي الأقمار الصناعية والخلية الشمسية "والفوتوفلطية" عبارة عن خلية الكترونية تتولد فيها قوة دافعة كهربائية بتعرضها للأشعة الضوئية.
الخلايا الشمسية.. العضوية
في كل دقيقة تطلق الشمس علي كوكب الأرض قدراً هائلاً من الطاقة تكفي لاستهلاك كل سكان الأرض في عام كامل! ولسوء الحظ فإن تحويل كل تلك الطاقة الشمسية المروعة إلي كهرباء أمر مكلف للغاية وأكثر الخلايا الشمسية مصنوعة من مادة السليكون silicon عنصر لا فلزي ويوجد بوفرة في القشرة الأرضية علي هيئة ثاني أكسيد السليكون الرمل وهذا يحتاج مثله مثل رقاقات الحاسوب microchips إلي عمليات تصنيع صعبة تتضمن استخدام غرفة نظيفة وحجيرات مفرغة من الهواء ونتيجة لذلك فإن تكلفة توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية تبلغ نحو أربع مرات قدر تكلفة توليدها بالوسائل التقليدية والأخبار الجيدة هنا أن ثمة تطورات تجري في الوقت الحاضرعلي قدم وساق في مجال اللدائن plastics والتكنولوجيا النانوية nanotechnology من أجل صنع خلايا رخيصة ومرنة يمكن "رشها" علي الجدران أو حتي طبعها علي الورق أو الأقمشة!
وأحد العيوب في الخلايا الشمسية "الفوتوفلطية" التقليدية المعتمدة علي السليكون هو أنها صلبة. وعلي الرغم من أنه من الممكن زرع هذه الخلايا الشمسية في الأقمشة إلا أن ذلك ليس هو الوضع الأمثل إذ أن الخلايا نفسها تظل صلبة حتي لو كان القماش نفسه مرناً.
وتزيد الالكترونيات المعززة لخلايا السليكون من تعقيد استخدامها في المباني والأجهزة المختلفة كمكون إضافيadd-on تقوم بمهام محددة لكن ما الذي سيحدث لو كانت الخلايا الشمسية مصنوعة من مادة أخري غير السليكون؟ تسألني فأجيبك إن الخلايا الشمسية الجديدة التي توصل لها العلماء مصنوعة من مواد عضوية وتتميز بأنها مرنة وخفيفة الوزن وأرخص بكثير من الخلايا الشمسية التقليدية وهي "عضوية" لأنها تتكون أساساً من الكربون بيد أن العقبة الرئيسية أمام الخلايا الشمسية العضوية organic أن كفاءتها في تحويل الضوء إلي كهرباء أقل بكثير جداً مقارنة بالخلايا السليكونية.
الفخاخ الالكترونية.. وعقبات أخري
تتكون الخلية الشمسية التقليدية من طبقة رقيقة شبه موصلة semiconductive fi/m "مادة بلورية مقاومتها متوسطة بين الموصلات الفلزية والمواد العازلة" محشورة بين قطبين كهربائيين electrodes وعندما يسقط الضوء علي شبه الموصل تثار الالكترونات القريبة بما يكفي لأن "تخلع" نفسها من القيود الممسكة بها تاركة وراءها "فجوات" holes ويعمل مجال كهربائي مجهز بين القطبين علي حث الالكترونات التي تحمل شحنة سالبة والفجوات "التي تحمل شحنة موجبة" علي التحرك إلي الطرفين المقابلين من الخلية الشمسية وهذه عملية سهلة نسبيا في أشباه الموصلات غير العضوية مثل السليكون لكن في حالة المواد العضوية فإننا نجد أن القوة التي تربط الالكترون بالفجوة أكبر بنحو مائة مرة. وعلاوة علي ذلك فإن المواد العضوية غالباً ما تشكل "فخاخاً" traps مثل متاريس الطرق السريعة تعوق حركة الالكترونات.
وعلي الرغم من تواضع كفاءة الخلايا الشمسية العضوية إلا أن خصائصها الأخري مثل المرونة وخفة الوزن والمتانة وقلة التكلفة تجعلها جذابة إلي حد كبير هذا بالاضافة إلي إمكان دمجها في مواد أخري بسبب طبيعتها المرنة.. بدءاً من الأقمشة إلي اللدائن "البلاستيك" إلي المواد التي تستخدم في بناء السقوف roofing.
وثمة عقبة أخري هي أن المواد العضوية مثل البلاستيك تمتص ضوءاً أقل من الشمس لكن هناك تطويراً حدث مؤخراً نجح في تقليل الفارق في الأداء بين الخلايا الشمسية السليكونية والعضوية إذ بإضافة مادة كيميائية تسمي "بنتاسين" pentacene "مادة عضوية تتكون من الكربون والهيدروجين" إلي الكربون أو بتعبير أدق إلي "كرات باكي" Buckyballs "كرات مجوفة تتكون من 60 ذرة كربون" المستخدمة في صنع الخلايا الشمسية العضوية وباضافة مادة "البنتاسين" تمكن الباحثون من رفع كفاءة هذه الخلايا العضوية التي تعد مثالية لبعض الأجهزة مثل أجهزة الإحساس عن بعد ولو تصورنا أنك سوف تقود بعد عشر سنوات من الآن سيارة مزودة بخلايا شمسية علي سقفها لإعادة شحن البطاريات التي تشغلها فإن هذه الخلايا سوف تكون عضوية وهناك فريق من العلماء يفكر في الجمع بين الخلايا الشمسية العضوية وغير العضوية حيث تمكن هذا الفريق مؤخراً من صنع خلايا شمسية مكونة من قضبان نانوية nanorods يبلغ قطرها 7 نانومتر "النانومتر واحد علي بليون من المتر" وطولها 60 نانومتر مدمجة في طبقة رقيقة من البوليمرات "البوليمر" Polymer مركب كيميائي له وزن جزيئي كبير ينتج نتيجة ترابط عدد من المركبات ذات وزن جزيئي صغير والفكرة هي الجمع بين مرونة اللدائن والكفاءة المؤكدة لأشباه الموصلات غير العضوية ونظراً لأن تلك القضبان النانونة "كل قضيب أرفع من قطر شعرة الإنسان بعدة آلاف من المرات" يستفيد من الظواهر السائدة عند مستوي الكم quantum level حيث يزداد امتصاص ألوان معينة من الضوء بمعدل الضعف.
ويمكن صنع الخلايا الشمسية العضوية بألوان مختلفة بحيث تصبح عناصر معمارية جذابة فضلاً عن إمكانية جعلها شفافة ومن ثم يمكن فردها علي النوافذ وفوق أسطح المنازل ويمكن التحكم في درجات ألوانها بحيث تنفذ نصف ضوء الشمس الساقط عليها وتستخدم النصف الآخر في توليد الكهرباء.
وقد انتجت أول خلية شمسية عام 1986 وكانت كفاءتها 1% أي أنها حولت 1% فقط من الطاقة الضوئية الساقطة عليها إلي طاقة كهربائية وبعد أن استخدم العلماء مركبات عضوية جديدة في التسعينيات من القرن الماضي زادت الكفاءة إلي حوالي 5% ويأمل العلماء في رفع الكفاءة إلي 10% في غضون سنوات قليلة ويجعل ذلك تلك التكنولوجيا الحديثة جذابة للاستثمار التجاري.
وبينما تعتمد الخلايا الشمسية التقليدية علي عناصر غير عضوية مثل سبيكة نحاس أو "جاليوم" gallium "فلز ذو لون أبيض مائل إلي الزرقة" وسليكون وهي مواد قد لا تكون متوفرة دائما أما الخلايا الشمسية العضوية فإنها تتكون أساساً من جزيئات الكربون والهيدروجين والأكسجين وهي متوفرة في الطبيعة.
ويري الباحثون أن الخلايا الشمسية العضوية يمكن أن تشغل ألعاب الأطفال أو شاشات صغيرة مرنة يمكن فردها أو تقوم بإعادة شحن بطاريات الأجهزة المحمولة مثل الهاتف وغير ذلك وبلا شك فإن تحويل طاقة الشمس إلي كهرباء بواسطة مواد لا تسبب أي تلوث للبيئة هو أمر رائع ويأمل الباحثون في أن تصبح الطاقة الشمسية عما قريب مصدراً رئيسياً للطاقة يحل محل الوقود الأحفوري "النفط والغاز الطبيعي" فضلاً علي أنه بمجرد تركيب الخلايا الشمسية فإن المستخدم سوف يحصل علي الطاقة بعد ذلك علي الدوام ومجاناً.
ويبقي بعد ذلك أن يأمل المرء في الانتهاء من تطوير التقنيات الحالية أو ظهور تقنيات علمية جديدة تماماً يمكن زيادة كفاءة الخلايا الشمسية العضوية في توليد الكهرباء مما يمكن من استخدامها في مختلف المجالات بما في ذلك تشغيل الأقمار الصناعية. ¼