مثل تكنولوجيا الطاقة الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون ، تحول OSCs طاقة الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام. لكنها أكثر تنوعًا بكثير من الخلايا الكهروضوئية الشمسية التقليدية. OSCs خفيفة الوزن ومرنة ويمكن صنعها لتكون شبه شفافة أو بألوان مختلفة. تمنحهم هذه الصفات تطبيقات محتملة للخلايا الشمسية المتكاملة للمنسوجات والمركبات والمباني ، ولتوليد الطاقة في المناطق التي لا توجد فيها.

تطبيقات فريدة

في حين أن هناك حاجة إلى تمويل وأبحاث إضافية لجلب OSCs إلى السوق التجاري ، يتفق الخبراء على أنهم سيلعبون دورًا مهمًا في مستقبل تكنولوجيا الطاقة الشمسية. ومع ذلك ، لن يحلوا محل خلايا السيليكون الشمسية أو يتنافسون معها. يقول Seth Marder ، أستاذ الكيمياء في Georgia Tech: "لا ينبغي أن نتوقع رؤية مجالات واسعة من OSCs ، مثل تلك التي تولد جيجاوات من الطاقة في مزارع السيليكون الشمسية". تعد Silicon solar مناسبة لتوفير الطاقة الشمسية على نطاق واسع ، بينما تتمتع OSCs بنقاط قوة فريدة أخرى توجه تطبيقاتها في العالم الحقيقي. 

سمتان فريدتان من OSCs هما النحافة والمرونة. في حين أن خلية شمسية نموذجية من السيليكون تعادل سماكة متوسط ​​عرض شعرة الإنسان ، فإن معظم الخلايا الشمسية العضوية تكون أرق بألف مرة تقريبًا. نظرًا لسمكها النحيف ومرونتها ، يمكن تصنيعها على أسطح منحنية ودعامات مرنة. على سبيل المثال ، يمكن ترقيعها أو دمجها في نسيج الخيام وحقائب الظهر وحتى الملابس. لا تزال معظم هذه المنتجات قيد التطوير وتحتل سوقًا متخصصة ، لكنها تُظهر الإبداع المبتكر الذي توفره OSCs. باستخدام تقنية OSC ، تم توسيع إمكانيات استخدام الخلايا الشمسية بشكل كبير إلى ما هو أبعد من مجرد أسطح المنازل والمزارع الشمسية.

يمكن أيضًا جعل OSCs شفافة أو شبه شفافة أو بألوان مختلفة. نتيجة لذلك ، هناك العديد من التطبيقات المحتملة للاستخدام المعماري. على سبيل المثال ، يمكن دمج OSCs الشفافة في النوافذ لتوليد الطاقة من أشعة الشمس التي قد تؤدي إلى تدفئة الغرفة وتساهم في ارتفاع تكاليف تكييف الهواء. يقدم Franky So ، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية كارولينا الشمالية ، تطبيقًا آخر: يمكن استخدام OSCs في فتحات السقف للمساعدة في تشغيل المركبات الكهربائية والهجينة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاستثمار المسبق المنخفض وتكاليف الشحن المنخفضة المحتملة للمنتجات تجعل تكنولوجيا OSC في متناول المجتمعات في البلدان النامية التي تفتقر إلى الوصول إلى الشبكة الكهربائية والوسائل المالية لبناء واحدة. لدى OSCs قدرة فريدة على "جلب السلطة حيث لا توجد قوة" ، تشرح Malika Jeffries-EL ، أستاذة الكيمياء المشاركة في جامعة بوسطن. في هذه الحالات ، يمكن أن توفر تقنية OSC الكهرباء الأساسية بكميات أصغر مطلوبة لمهام مثل الإضاءة وشحن الهواتف المحمولة وتبريد الأدوية واللقاحات.

نقطة بيع أخرى لـ OSCs هي أنها أقل كثافة للطاقة في التصنيع من خلايا السيليكون الشمسية. هناك حاجة إلى أفران شديدة الحرارة - أعلى من 1,500 درجة مئوية (2,700 درجة فهرنهايت) - لتوليد سيليكون عالي النقاء لخلايا السيليكون الشمسية. بالمقارنة ، يمكن تصنيع OSCs على نطاق واسع ببساطة عن طريق طباعة طبقات الخلية على دعامة في عملية مماثلة لتلك المستخدمة في طباعة الصحف. نظرًا لأن هذه العملية تستهلك طاقة أقل ، فإن OSCs لديها وقت استرداد طاقة أقصر بكثير من خلايا السيليكون. بعبارة أخرى ، تتطلب OSCs وقتًا أقصر لتوليد كمية الطاقة اللازمة لتصنيعها.

آلية العمل

تم تطوير أول خلية شمسية عضوية في عام 1958 ، ولكن لم تشهد الخلايا الشمسية العضوية زيادة كبيرة في الكفاءة إلا في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ظهرت تقنية OSC المحسنة هذه من مجال الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ، والمعروفة باسم OLEDs. تُستخدم تقنية OLED في العديد من شاشات التليفزيون والهواتف في السوق اليوم. في شاشة OLED ، تصدر طبقة من الجزيئات العضوية (جزيئات تتكون أساسًا من ذرات الكربون والهيدروجين) الضوء عند تطبيق تيار كهربائي. تعمل OSCs بشكل أساسي في الاتجاه المعاكس - تولد طبقة الجزيئات العضوية تيارًا كهربائيًا عند تعرضها للضوء.

تتكون الخلية الشمسية العضوية من طبقات متعددة من المواد ، إحداها هي الطبقة المستقبلة. عندما يصطدم ضوء الشمس بالخلية ، يتم إطلاق إلكترون من طبقة الجزيئات العضوية ، وتتمثل مهمة المستقبل في تمرير هذا الإلكترون إلى القطب. تؤدي هذه العملية إلى تراكم الشحنات ، وهو ما يولد الكهرباء.

تقليديًا ، كانت المواد المستندة إلى الفوليرين الأكثر استخدامًا في OSCs هي جزيء يتكون من 60 ذرة كربون مرتبطة ببعضها البعض في هيكل يشبه كرة القدم. ومع ذلك ، مع متقبلات الفوليرين ، اقتصرت كفاءة OSCs على حوالي 10٪. بمعنى آخر ، تم تحويل 10٪ فقط من ضوء الشمس الذي يضرب الخلية الشمسية إلى كهرباء. لذلك شرع الباحثون في استكشاف أنواع جديدة من طبقات القبول كوسيلة لزيادة كفاءة OSC.

كان الاختراق الذي سمح لـ OSCs بتحقيق كفاءات أعلى هو تطوير متقبلات غير الفوليرين (NFAs). مع NFAs ، زادت كفاءة OSCs بشكل حاد - حتى 18٪ في غضون سنوات قليلة. وقد أدى ذلك إلى وصول OSCs إلى الطرف السفلي من 18٪ إلى 22٪ كفاءة متوسط ​​الخلايا الشمسية السليكونية المتاحة تجارياً. لقد تجاوز هذا الارتفاع في الكفاءة توقعات العديد من الخبراء ، الذين بدأ بعضهم العمل في هذا المجال عندما كانت كفاءة OSCs تحوم حول 3 ٪ فقط. يقول ماردير: "لو أخبرتني قبل 10 سنوات أنه سيكون لدينا خلايا شمسية عضوية بنسبة 18٪ بكفاءة ، لكنت سأضحك".  

الحواجز للتغلب عليها

لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل تسويق OSCs على نطاق واسع. أحد أكبر التحديات هو المذيبات المستخدمة في عملية التصنيع. يتم تصنيع معظم OSCs الأفضل أداءً باستخدام المذيبات المكلورة ، والتي تشكل مخاطر صحية وبيئية. يقول برنارد كيبلين ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في Georgia Tech: "عند توسيع نطاق تصنيع OSC ، عليك أن تفكر في تعرض الأشخاص الذين سيعملون في المصانع". ركز البحث حتى الآن إلى حد كبير على الحصول على كفاءات أعلى بشكل متزايد ، ولكن كما يقول Kippelen ، "نحن بحاجة إلى نهج يتجاوز عددًا واحدًا فقط". لجعل OSCs تقنية قابلة للتطبيق ، يجب تحسين عملية التصنيع لجعلها أكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة.

هناك عائق آخر أمام الإنتاج الضخم لـ OSCs وهو الفرق بين كفاءة الخلايا الفردية التي تم اختبارها في ظل ظروف معملية مثالية ، والكفاءات التي تم إثباتها للوحدات الأكبر. يمكن أن تتمتع الخلايا الفردية بكفاءات عالية ، لكن تجميع خلايا متعددة في وحدات أو لوحات أو صفائف يتطلب توصيلات كهربائية إضافية تقلل من الكفاءة. ومع ذلك ، كما يشير كيبلين ، فإن هذه الأنواع من التفاوتات متوقعة. يقول: "يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن تنعكس الزيادات في كفاءة الخلية في كفاءة الوحدات التي تخرج من خطوط التصنيع". "وينطبق الشيء نفسه على خلايا السيليكون الشمسية."

تمويل أبحاث OSC هو مصدر قلق آخر. في الولايات المتحدة ، يأتي جزء كبير من تمويل أبحاث الخلايا الشمسية من الوكالات الحكومية ، مثل وزارة الطاقة. ومع ذلك ، وفقًا لـ Kippelen ، "جفت الكثير من مصادر التمويل نوعًا ما لإجراء أبحاث حول OSC ،" نظرًا لظهور فئة سريعة التوسع من الخلايا الشمسية تسمى perovskites. يقول كيبلين: "كان هناك الكثير من الإثارة حول استخدام البيروفسكايت لأن كفاءتها أعلى من السيليكون في بعض الحالات". ومع ذلك ، حتى مع انخفاض تمويل OSCs في الولايات المتحدة ، تواصل الصين قيادة البحث والتطوير في OSC. يقول ماردر: "إن حجم العمل [على أبحاث OSC] في الولايات المتحدة هو جزء ضئيل من حجم العمل في الصين". "الناس في الصين ينفجرون بشدة في هذا الأمر." 

أسباب التفاؤل

سيستمر استهلاك الطاقة العالمي في المستقبل في الارتفاع ، خاصة وأن البلدان النامية تتطلع إلى نفس الفوائد من إنتاج الطاقة عند الطلب التي تتمتع بها البلدان المتقدمة. يقول باحثون مثل Marder و Kippelen و Jeffries-EL و هكذا إن تكنولوجيا OSC لديها القدرة على لعب دور فريد ومهم في التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة. أدت الزيادة الأخيرة في كفاءة OSC إلى 18 ٪ إلى عمل العديد من الباحثين لتطوير هذه التكنولوجيا ، ويتطلع العلماء الآن إلى OSCs الترادفية (التي تستخدم مادتين مختلفتين تمتص أطوال موجية مميزة من ضوء الشمس) لالتقاط المزيد من الطاقة. يأمل البعض في أن يؤدي هذا التطور إلى زيادة كفاءة OSC بشكل أكبر - حتى 20٪.

يدعو Kippelen إلى رؤية طويلة المدى لتقنية OSC. يقول: "ستظل تكنولوجيا الطاقة الشمسية موجودة لفترة طويلة ، وأعتقد حقًا أن OSC ، مع مرور الوقت ، ستثبت نفسها على أنها تقنية مهمة حقًا."

نبذة عن الكاتب

 كيلي ستيلماخ طالبة دراسات عليا تسعى للحصول على درجة الدكتوراه. في الكيمياء في Georgia Tech. إنها شغوفة بتطوير مواد عضوية جديدة لمواجهة التحديات البيئية والاستدامة. يركز بحثها الحالي على توليف البوليمرات ذات درجة حرارة السقف المنخفضة مع التطبيقات المحتملة كمواد قابلة لإعادة التدوير.

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.

 

ظهر هذا المقال أصلا على Ensia