في خطة العالم للانتقال للطاقة النظيفة، تتصدر الطاقة الشمسية المشهد، حيث تطلق الشمس كل أشعتها لتزود جميع ما على الكرة الأرضية بالطاقة، ولكن يكمن التحدي في كيفية الاستفادة من هذه الطاقة.
تعتبر الخلايا الكهروضوئية أجهزة إلكترونية تساهم في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وعلى الرغم من تكلفتها الاقتصادية المنخفضة إلا أن التحدي لا يزال قائمًا.
وفي هذا الصدد، تعاون باحثون من جامعة خليفة مع فريق بحثي دولي للعمل على تطوير طبقات عازلة في الخلايا الشمسية العضوية. وتوضح الورقة البحثية التي نُشرت في المجلة الدولية "أدفانسد ماتيريالز إنترفيسز" مجالات التطور في علوم المواد والتي قام بها الباحثون خلال السنوات الأخيرة بهدف تحسين فعالية هذا النوع الخلايا الكهروضوئية وزيادة مدة صلاحيتها.
وضم الفريق البحثي كلًّا من الدكتور فيناي غوبتا والدكتور شاشيكانت باتولي وكلاهما أستاذ مساعد في قسم الفيزياء في جامعة خليفة، كما ضم باحثين من مجلس البحوث العلمية والصناعية للمختبر الفيزيائي الوطني في الهند وجامعة سوانسي في المملكة المتحدة وجامعة جامو في الهند.
وتُعرف الخلية الشمسية العضوية بأنها نوع من الخلايا الكهروضوئية المكونة من بوليمرات عضوية موصلة تساهم في امتصاص الضوء وإنتاج الطاقة الكهربائية من أشعة الشمس. وتعتبر معظم الخلايا الكهروضوئية العضوية خلايا شمسية بوليمرية تتميز بخفة الوزن والمرونة وسهولة التحكم بها على المستوى الجزيئي، كما أنها غير مكلفة اقتصاديًا عند تصنيعها مقارنة بالأجهزة القائمة على السيليكون.
توجد بعض السلبيات للخلايا الشمسية البوليمرية المتمثلة في الفعالية، حيث توفر فعالية تساوي ثلث فعالية المواد الأخرى وهي عرضة أيضًا للتحلل الضوئي الكيميائي.
قال الدكتور فيناي: "حال ارتفاع أسعار المواد الكهروضوئية غير العضوية دون الاستفادة من هذه التكنولوجيات في مجال إنتاج الطاقة العالمي. وفي الوقت الحالي، تجري دراسة الخلايا الكهروضوئية العضوية كالخلايا الشمسية لمعدن البيروفسكايت والخلايا الشمسية الصبغية كبدائل ممكنة إلا أنها تعاني من ضعف في فعالية تحويل الطاقة وقصر فترة صلاحيتها وتأثرها بعوامل البيئة المحيطة".
ولتحسين فعالية الخلايا الكهروضوئية العضوية، يمكن تطوير هيكل الخلية الشمسية بالاستعانة بطبقات عازلة في القطبين الموجب والسالب، حيث ركز الفريق البحثي على الطبقة العازلة في القطب السالب من خلال إجراء البحوث على الشكل الهندسي والمواد وآليات العمل للحصول على معلومات مفصلة حول إمكانية تحسين الطبقة العازلة في القطب السالب.
من جانبه، قال الدكتور شاشيكانت: "يكمن الدور الرئيس للطبقة العازلة في القطب السالب في تسهيل جمع الإلكترونات في القطب الكهربائي، وللحصول على خلايا شمسية عضوية فعالة يعتبر الاختيار الأنسب للطبقة العازلة في القطب السالب أمرًا في غاية الأهمية، فلا بد من أن تتمتع بجودة عالية".
ووفقًا لنتائج الباحثين، يجب أن تكون الطبقة العازلة في القطب السالب فعالة في جمع الإلكترونات ونقلها وذات مستوى مناسب من الطاقة بحيث تسمح بعملية نقل الإلكترونات بشفافية وثبات، كما يجب أن تكون صغيرة الحجم بهدف الاستفادة منها في الخلايا الشمسية العضوية المرنة وذات الوزن الخفيف. ومن هذه المواد التي تم استخدامها هي مادة أكسيد التيتانيوم، وهي أكسيد معدن شبه موصل يتميز بخصائص ضوئية فريدة من نوعها.
وتوصل الباحثون أيضًا إلى أن إضافة مادة السيزيوم إلى أكسيد التيتانيوم قد ساهم في تحسين أداء الجهاز، كما تم اختبار ودراسة كل من مادة أكسيد الزنك وأكسيد الزركونيوم.
وأضاف الدكتور فيناي: "تم اختبار والكشف عن فعالية مجموعة متنوعة من المواد العضوية كطبقات عازلة للقطب السالب في الخلايا الشمسية العضوية".
وأكد الباحثون على أن الأكاسيد والكربونات هي أمر شائع في مجال الطبقات العازلة في القطب السالب للخلايا الشمسية العضوية، حيث يعتبر أكسيد الزنك من المواد الأكثر انتشارًا في هذا المجال نظرًا لاستقراره الحراري والكيميائي وخصائصه الإلكترونية والضوئية، فضلًا عن تكلفته الاقتصادية في التصنيع. وبين الفريق أن المعادن والفلوريدات القلوية التي تشمل الكالسيوم والباريوم والليثيوم هي مواد شائعة الاستخدام لما تملكه من قدرة في تحسين أداء الخلايا في مجال جمع الإلكترونات.
ويبقى ضعف الأداء في تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية والجوانب المتعلقة بحالة الاستقرار الكيميائي مشكلتين تواجهان الخلايا الشمسية العضوية وتحولان دون نجاحها من الناحية التجارية.
إضافة لذلك، تعتمد الخلايا الشمسية العضوية على أشعة الشمس الصادرة عن طيف كهرومغناطيسي ضيق، لأن الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء يمكن أن تتلف الطبقة المجمعة للضوء.
ويمكن استخدام الطبقات العازلة في القطب السالب كحل لتلك المشكلات وزيادة مدة صلاحية الأجهزة الكهروضوئية العضوية، حيث تساهم تلك الطبقات في أداء وظيفة مزدوجة تشمل وظائفها على مستوى القطب السالب وحماية الطبقة المجمعة للضوء.
تشير الورقة البحثية التي قام بها الفريق إلى الحاجة لمزيد من التحسينات لإتاحة الفرصة أمام الخلايا الشمسية البوليمرية لتنافس خلايا السيليكون، كما ساهم البحث في تعزيز دور الباحثين في جميع أنحاء العالم لتطوير الطبقات العازلة في القطب السالب التي تتميز بفعالية عالية للحصول على أجهزة خلايا شمسية عضوية متطورة.