تقنيات الطاقة الشمسية الحالية ليست جيدة بما فيه الكفاية. أنطونيو جارسيا على Unsplash, FAL

يعني الطلب على كهرباء أرخص وأكثر مراعاة للبيئة أن مشهد الطاقة يتغير بشكل أسرع من أي نقطة أخرى في التاريخ. هذا صحيح بشكل خاص كهرباء تعمل بالطاقة الشمسية و تخزين البطارية. انخفضت تكلفة كلاهما بمعدلات غير مسبوقة على مدى العقد الماضي وتقنيات موفرة للطاقة مثل الإضاءة LED توسعت أيضا.

سيؤدي الوصول إلى الطاقة الشمسية الرخيصة والواسعة الانتشار والتخزين إلى تغيير الطريقة التي ننتج بها الطاقة ونستخدمها ، مما يسمح بتزويد قطاع النقل بالكهرباء. هناك إمكانية لاقتصادات جديدة قائمة على المواد الكيميائية التي نحن فيها تخزين الطاقة المتجددة كوقود، ودعم الأجهزة الجديدة التي تشكل "إنترنت الأشياء".

لكن تقنيات الطاقة الحالية لدينا لن تقودنا إلى هذا المستقبل: سنصل قريبًا إلى الكفاءة وحدود التكلفة. ال إمكانية التخفيضات في المستقبل في تكلفة الكهرباء من السليكون الشمسية ، على سبيل المثال ، محدودة. يتطلب تصنيع كل لوحة قدرًا معقولاً من الطاقة والمصانع باهظ الثمن للبناء. وعلى الرغم من إمكانية تقليص تكلفة الإنتاج أكثر قليلاً ، فإن تكاليف تركيب الطاقة الشمسية أصبحت الآن تهيمن عليها الإضافات - التركيب والأسلاك والإلكترونيات وما إلى ذلك.

هذا يعني أنه من غير المرجح أن تلبي أنظمة الطاقة الشمسية الحالية الجزء المطلوب من متطلبات الطاقة العالمية التي تبلغ 30 تيراوات (فهي تنتج أقل من 1 تيراواط اليوم) سريع كفاية لمعالجة قضايا مثل تغير المناخ.

وبالمثل ، فإن تقنيات الإضاءة والعرض LED الحالية لدينا باهظة الثمن وليست بجودة ألوان جيدة بما يكفي لاستبدال الإضاءة التقليدية بشكل واقعي في إطار زمني قصير بما يكفي. هذه مشكلة ، لأن الإضاءة تمثل حاليًا 5% من انبعاثات الكربون في العالم. هناك حاجة إلى تقنيات جديدة لسد هذه الفجوة ، وبسرعة.

هاليد بيروفسكايت

معملنا في كامبريدج، إنجلترا ، مع عائلة جديدة واعدة من المواد المعروفة باسم هاليد بيروفسكايت. إنها أشباه موصلات ، تنقل الشحنات عند تحفيزها بالضوء. يتم ترسيب أحبار البيروفسكايت على الزجاج أو البلاستيك لصنع أغشية رقيقة للغاية - حوالي مائة من عرض شعرة الإنسان - تتكون من أيونات معدنية وهاليد وعضوية. عندما تكون محصورة بين ملامسات القطب ، فإن هذه الأفلام تصنع الخلايا الشمسية أو أجهزة LED.

بشكل مثير للدهشة ، يمكن تغيير لون الضوء الذي تمتصه أو تنبعث منه ببساطة عن طريق تعديل هيكلها الكيميائي. من خلال تغيير الطريقة التي نزرعها بها ، يمكننا تخصيصها لتكون أكثر ملاءمة لامتصاص الضوء (للوحة شمسية) أو انبعاث الضوء (لمصباح LED). يتيح لنا ذلك صنع خلايا شمسية ذات ألوان مختلفة ومصابيح LED تنبعث منها ضوء من الأشعة فوق البنفسجية ، وصولاً إلى الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة.

على الرغم من معالجتها الرخيصة والمتعددة الاستخدامات ، فقد ثبت أن هذه المواد فعالة بشكل ملحوظ مثل الخلايا الشمسية وبواعث الضوء. ضرب خلايا بيروفسكايت الشمسية 25.2٪ كفاءة في عام 2019، ساخنة في أعقاب خلايا السيليكون البلورية بنسبة 26.7٪ ، ومصابيح البيروفسكايت موجودة بالفعل تقترب أداء الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء (OLED) الجاهز.

هذه التقنيات هي يجري تسويقها بسرعة، خاصة على جبهة الخلايا الشمسية. تمتلك شركة Oxford Photovoltaics ومقرها المملكة المتحدة بنى خط إنتاج ويقوم بتلبية طلبات الشراء الأولى في أوائل 2021. أصدرت الشركة البولندية Saule Technologies منتجات أولية في نهاية عام 2018 ، بما في ذلك أ طيار الواجهة الشمسية البيروفسكايت. تتوقع الشركة المصنعة الصينية Microquanta Semiconductor إنتاج أكثر من 200,000 متر مربع الألواح في خط إنتاجها قبل نهاية العام. تعتبر Swift Solar ومقرها الولايات المتحدة (وهي شركة شاركت في تأسيسها) رائدة أداء عالي خلايا ذات خصائص مرنة وخفيفة الوزن.

أحبار البيروفسكايت الملونة الباعثة للضوء والتي يمكن تحويلها إلى أغشية رقيقة. © سانديب باثاك, مؤلف المنصوص

ما بين هذه وغيرها من الشركات، هناك تقدم سريع يتم إحرازه.

نوافذ شمسية وألواح مرنة

على عكس خلايا السيليكون التقليدية ، التي يجب أن تكون موحدة للغاية لتحقيق كفاءة عالية ، تتكون أفلام البيروفسكايت من فسيفساء "حبيبات" ذات حجم متغير للغاية (من نانومتر إلى مليمترات) والكيمياء - ومع ذلك فهي تعمل تقريبًا مثل أفضل خلايا السيليكون اليوم. ما هو أكثر من عيوب صغيرة أو عيوب في أفلام البيروفسكايت لا تؤدي إلى خسائر كبيرة في الطاقة. قد تكون هذه العيوب كارثية بالنسبة للوحة السيليكون أو LED التجاري.

على الرغم من أننا ما زلنا نحاول فهم هذا ، فإن هذه المواد تجبر المجتمع على إعادة كتابة الكتاب المدرسي لما نعتبره أشباه موصلات مثالية: يمكن أن يكون لها خصائص بصرية وإلكترونية جيدة جدًا على الرغم من - أو ربما بسبب - الفوضى.

يمكننا افتراضيًا استخدام هذه المواد لصنع خلايا شمسية ملونة "مصممة" تتناغم مع المباني أو المنازل ، أو النوافذ الشمسية التي تبدو مثل الزجاج الملون ولكنها تولد قوة.

لكن الفرصة الحقيقية هي تطوير خلايا عالية الكفاءة بما يتجاوز كفاءة خلايا السيليكون. على سبيل المثال ، يمكننا وضع فيلمين مختلفين من البيروفسكايت معًا في طبقة خلية شمسية "ترادفية". ستحصد كل طبقة مناطق مختلفة من الطيف الشمسي ، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية للخلية.

مثال آخر هو ما تعتبره Oxford PV رائدة: إضافة طبقة بيروفسكايت فوق خلية سيليكون قياسية ، مما يعزز كفاءة التكنولوجيا الحالية بدون تكلفة إضافية كبيرة. يمكن أن تؤدي مناهج الطبقات الترادفية هذه إلى إنشاء ملف زيادة الكفاءة من الألواح الشمسية التي تتجاوز 30٪ ، مما سيقلل من تكاليف اللوحة والنظام مع تقليلها أيضًا بصمة الطاقة.

يتم أيضًا تطوير طبقات البيروفسكايت هذه لتصنيع الألواح الشمسية المرنة التي يمكن معالجتها لتدحرج مثل ورق الصحف تقلل التكاليف. كما تفتح الطاقة الشمسية خفيفة الوزن وعالية الطاقة إمكانيات لتشغيل المركبات الكهربائية وأقمار الاتصالات.

مرنة نموذج خلية شمسية بيروفسكايت. بلامين بيتكوف لـ Scientific American

بالنسبة لمصابيح LED ، يمكن أن يحقق البيروفسكايت نتائج رائعة جودة اللون مما قد يؤدي إلى تقدم تقنيات العرض المرنة. يمكن أن تعطي البيروفسكايت أيضًا جودة أرخص وأعلى إضاءة بيضاء من مصابيح LED التجارية الحالية ، مع إمكانية تصنيع "درجة حرارة اللون" للكرة الأرضية لإعطاء ضوء أبيض بارد أو دافئ أو أي ظل مرغوب بينهما. كما أنها تولد الإثارة باعتبارها لبنات أساسية أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل، طالما كاشفات الأشعة السينية لجرعة منخفضة للغاية من التصوير الطبي والأمني.

على الرغم من ظهور المنتجات الأولى بالفعل ، لا تزال هناك تحديات. إحدى القضايا الرئيسية هي التظاهر الاستقرار على المدى الطويل. لكن البحث واعد ، وبمجرد حل هذه المشكلات ، يمكن أن يدفع هاليد بيروفسكايت حقًا التحول في إنتاج الطاقة واستهلاكها.

عن المؤلف

سام سترانكس ، محاضر في الطاقة وزميل أبحاث جامعي في الجمعية الملكية ، جامعة كامبريدج

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

كُتبٌ ذاتُ صِلَةٍ

السحب: الخطة الأكثر شمولاً على الإطلاق من أجل عكس الاحترار العالمي

بول هوكين وتوم شتاير
في مواجهة الخوف واللامبالاة على نطاق واسع ، اجتمع تحالف دولي من الباحثين والمهنيين والعلماء لتقديم مجموعة من الحلول الواقعية والجريئة لتغير المناخ. مائة تقنيات وممارسات موصوفة هنا - بعضها معروف جيدًا ؛ البعض ربما لم تسمع به من قبل. وهي تتراوح بين الطاقة النظيفة وتعليم الفتيات في البلدان المنخفضة الدخل إلى ممارسات استخدام الأراضي التي تسحب الكربون من الهواء. الحلول موجودة وقابلة للحياة اقتصاديًا ، والمجتمعات في جميع أنحاء العالم تعمل حاليًا على تفعيلها بمهارة وتصميم. متاح في أمازون

تصميم حلول المناخ: دليل السياسات للطاقة المنخفضة الكربون

هال هارفي ، روبي أورفيس ، جيفري ريسمان
مع آثار تغير المناخ علينا بالفعل ، فإن الحاجة إلى خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية ليست أقل من إلحاح. إنه تحد شاق ، لكن التقنيات والاستراتيجيات اللازمة لمواجهته موجودة اليوم. يمكن لمجموعة صغيرة من سياسات الطاقة ، المصممة والمنفذة بشكل جيد ، أن تضعنا على الطريق نحو مستقبل منخفض الكربون. أنظمة الطاقة كبيرة ومعقدة ، لذلك يجب أن تكون سياسة الطاقة مركزة وفعالة من حيث التكلفة. نهج مقاس واحد يناسب الجميع لن ينجز المهمة ببساطة. يحتاج صانعو السياسات إلى مورد واضح وشامل يحدد سياسات الطاقة التي سيكون لها أكبر تأثير على مستقبل المناخ لدينا ، ويصف كيفية تصميم هذه السياسات جيدًا. متاح في أمازون

هذا يغير كل شيء: الرأسمالية مقابل والمناخ

بواسطة نعومي كلاين
In هذا يغير كل شيء تقول ناعومي كلاين أن تغير المناخ ليس مجرد قضية أخرى يتم وضعها بدقة بين الضرائب والرعاية الصحية. إنه إنذار يدعونا إلى إصلاح نظام اقتصادي يفشلنا بالفعل بطرق عديدة. يبني كلاين بدقة على كيفية خفض انبعاثاتنا من غازات الدفيئة بشكل كبير ، وهو أفضل فرصة لنا للتخفيف من التباين الفجائي في الوقت نفسه ، وإعادة تخيل ديمقراطياتنا المحطمة ، وإعادة بناء اقتصاداتنا المحلية المدمرة. إنها تعرّض اليأس الأيديولوجي الذي ينكره من ينكرون تغير المناخ ، والأوهام المشينة التي ارتكبها المهندسون الجيولوجيون المحتملين ، والانهزامية المأساوية في الكثير من المبادرات الخضراء السائدة. وهي تدلل على وجه التحديد على السبب الذي يجعل السوق لا تستطيع - ولا يمكنها - إصلاح أزمة المناخ ، ولكنها ستجعل الأمور أسوأ ، مع أساليب استخراج مدمرة للغاية ومدمرة من الناحية البيئية ، مصحوبة برأسمالية كوارث متفشية. متاح في أمازون

من الناشر:
عمليات الشراء على موقع أمازون تذهب لتحمل تكلفة جلبك InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, و ClimateImpactNews.com دون أي تكلفة ودون المعلنين الذين يتتبعون عادات التصفح الخاصة بك. حتى إذا قمت بالنقر فوق رابط ولكنك لا تشتري هذه المنتجات المحددة ، فإن أي شيء آخر تشتريه في هذه الزيارة نفسها على Amazon يدفع لنا عمولة صغيرة. لا توجد تكلفة إضافية عليك ، لذا يرجى المساهمة في هذا الجهد. بامكانك ايضا استخدام هذا الرابط لاستخدامه في Amazon في أي وقت حتى تتمكن من المساعدة في دعم جهودنا.