توصل الباحثون في قسم الطاقة في مختبر SLACالتابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلى تقنية جديدة يمكنها أن تسهم في زيادة الفعالية الاقتصادية للخلايا الشمسية المصنعة من البوليمر، ما سوف يجعلها بديلاً عن الخلايا المصنعة من رقائق بلورات السليكون باهظة الثمن. وتستخدم الخلايا الشمسية أو الخلايا الفولتضوئية في تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء، باستخدام أشباه الموصلات مثل السليكون الذي يستخرج من الرمل النقي، وبصفة عامة فإن مواد هذه الخلايا إما مادة بلورية سميكة كالسليكون البلوري، أو مادة غير بلورية رقيقة مثل مادة السليكون اللابلوري، أو مواد مترسبة كطبقات فوق شرائح من شبه الموصلات، تتكون من أرسنيد الجاليوم. وتعتبر الطاقة التي تنتجها هذه الخلايا من أشكال الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنه لا ينتج عن تشغيلها نفايات ملوثة، ولا إشعاعات، ولا تحدث ضوضاء، ولا تحتاج لوقود لتشغيلها، إلا أنه ما يعيبها كلفتها المرتفعة، إذا ما قورنت مع مصادر الطاقة الأخرى، وتتميز الخلايا الشمسية بإنتاجها للكهرباء باستمرار وبطريقة مباشرة، كما هو في البطاريات السائلة والجافة العادية. وتعتمد شدة التيار المنتج من هذه الخلايا على وقت سطوع الشمس وشدة الأشعة، وعلى كفاءة الخلية الضوئية وقدرتها على تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، ويمكن أن تنتج هذه الخلايا الشمسية مئات الفولتات من الكهرباء المستمرة في حال توصيلها على التوالي، كما انه يمكن تخزين الطاقة الناتجة في بطاريات الحامضية المصنوعة من الرصاص أو القاعدية المصنوعة من معدني النيكل والكادميوم. ويمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد باستخدام ما يسمى بالعاكسات لتشغيل وإدارة الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية العادية. كما تتميز الخلايا الشمسية بخلوها من أي أجزاء متحركة، يمكن أن تتعرض للعطل، لذا فهي تعمل بكفاءة عالية فوق الأقمار الصناعية، وبخاصة لأنها لا تحتاج لصيانة أو إصلاحات أو وقود، بيد انه يمكن أن تقل فاعليتها إذا تعرضت للاتساخ بسبب التلوث أو إذا غطاها الغبار. وتوجد أكبر محطة توليد كهرباء بالخلايا الشمسية في إسبانيا، وتنتج 23 ميجاوات، ومن المخطط تشييد أكبر محطة في أستراليا بقدرة 154 ميجاوات. وتعمل الخلايا الشمسية في الأقمار الصناعية منذ 1960، كما تزود محطة الفضاء الدولية ISS بالتيار الكهربائي. وأثناء إجراء فريق البحث، التجارب المعملية، تضاعفت الكهربية التي أنتجتها الخلايا الشمسية الرخيصة، المصنوعة من البوليمر، بجودة كبيرة، وسوف يؤدي هذا الكشف إلى استبدال الخلايا الشمسية باهظة التكاليف، المصنوعة من رقائق بلورات السيلكون، بالأخرى المصنوعة من البوليمر، والتي تتميز بتكلفتها القليلة. قاد البحث البروفيسور زينان باو، أستاذ الهندسة الكيمائية في جامعة ستانفورد، وعضو معهد ستانفورد للمواد وعلوم الطاقة SIMES، وقد نشر الفريق البحثي نتائج تجاربه منذ مدة وجيزة في صحيفة نيتشر كوميونيكيشنز. وسوف يتيح الكشف للمصنعين، طرقا لتحسين جودة منتجاتهم، فلن يعتمدوا على نظرية المحاولة والصواب والخطأ، بحسب باو، الذي يتوقع تطبيق هذا الاتجاه الجديد على نطاق واسع في صناعات الأدوات الأخرى من البوليمر، التي تلعب فيها اصطفاف الجزيئات دوراً مهماً. وعلى الرغم من تراجع أسعار الخلايا الشمسية المصنوعة من السليكون إلا أنه لا يزال أمامها وقت طويل يتراوح ما بين خمس إلى 15 سنة، لكي تنتج كميات كافية من الكهرباء لتعوض تكاليف شرائها وتركيبها، كما يحتاج تصنيع خلايا السليكون الشمسية كميات كبيرة من الطاقة التي تعوض جزئياً قيمتها كمصدر متجدد للطاقة، ومقارنة بخلايا السليكون، تتميز الخلايا الضوئية المصنوعة من البوليمر، بأنها أرخص كثيراً منخلايا السيلكون، لأنها مصنوعة من مواد زهيدة التكلفة، يمكن طلاؤها أو طباعتها في مكانها من دون الحاجة إلى نقلها، كما تتميز بمرونتها واستهلاكها قدرا ضئيلاً من الطاقة عند التصنيع، وفي حين أنه يمكن أن تحول عينات معملية صغيرة أكثر من 10 في المئة من ضوء الشمس إلى كهرباء، إلا أن الخلايا المغلفة المستخدمة على نطاق واسع يعيبها انخفاض كفاءتها، إذ تنتج فقط 5 في المئة، مقارنة مع نسبة 20 إلى 25 في المئة تنتجها خلايا السيلكون التجارية. وتتضمن خلايا البوليمر نوعين من البوليمرات، تعرف الأولى بالمتبرعة التي تحول ضوء الشمس إلى إلكترونات، وتعرف الثانية بالمستقبل التي تخزن الإلكترونات حتى عزلها من الخلية على شكل كهربية يمكن استخدامها، إلا أنه عندما يوضع هذا الخليط من الخلايا على سطح الخلية الموصل للكهربية أثناء التصنيع، ينفصل النوعان عند تحولهما إلى مجموعة متنوعة من كتل كبيرة، ما يصعب قدرة الخلية على إنتاج وحصد الإلكترونات، وقد توصل باحثو جامعة ستانفورد الباحثون وفي قسم الطاقة في مختبر SLACإلى حل لهذه المشكلة بتصنيع تقنية أسموها هندسة محسنة البلورات بالسوائل أو FLUENCE، التي طورت في الأصل لتحسين خاصية التوصيل الكهربي لأشباه الموصلات العضوية. ووجد الفريق أثناء عملهم الحالي أنه عندما تطلى البوليمرات فوق سطح موصل تحشر داخل انحدار أو ثقب بزاوية طفيفة يحتوي على صفوف متعددة من الأعمدة المجهرية الصلبة، يتخلل بصعوبة كبيرة طريقه فوق السطح بسرعة منخفضة قدرت بما بين 25 و 100 ميكرومتر في الثانية، ليحول 3.5 إلى 14.2 بوصة في الساعة، وتتفكك جزيئات البوليمر الكبيرة وتختلط مع بعضها البعض أثناء ارتدادها ومرورها عبر الأعمدة المجهرية، لتتحول في نهاية الأمر إلى بلورات نانومترية دقيقة، ذات شكل موحد وبخواص كهربية محسنة. وقد بدأ المشروع في أكتوبر/تشرين أول 2011، وتموله حالياً وزارة الطاقة الأمريكية. نماذج استخدم الباحثون نماذج حاسوبية وتحليل أشعة إكس لتعديل تقنية هندسة محسنة البلورات بالسوائل أو FLUENCE، لصنع الخلايا الشمسية، واستخدم الفريق انكسار أشعة إكس لقياس الدرجة التي يكون عندها البوليمر البلورات، كما استخدموا تشتت أشعة إكس لتحديد آلية انفصال نوعي للبوليمرات عن بعضهما البعض، بحسب مايك توني، قائد الفريق البحثي لمجموعة علوم المواد في جامعة ستانفورد، ويضيف توني: تعد هذه تقنية أساسية، طورنا من أجلها اتجاهات مبتكرة في السنوات الأخيرة. وما يحدث تماماً هو أن نوعي خلايا البوليمر الضوئية، يجب أن يكونا متقاربين من بعضهما، لكي يتمكن الإلكترون من الحركة السريعة من كونها متبرعة إلى النوع الثاني، وهو الخلايا المستقبلة، إلا أنه لا يجب أن تكون بهذا القرب، الذي يجعل المستقبلات تعيد إلكتروناتها، قبل تحويلها إلى كهربية، بحسب يان تشو، باحث في ستانفورد وأحد أعضاء فريق باو. ويضيف تشو: تحقق تقنية FLUENCEهذا الوسط المناسب، الذي نسعى خلفه لأن ندرك ما يحدث، ويمكننا تعديل تصميم الانحدار وسرعة المعالجة لتغيير التركيب النهائي للبوليمر، وسوف يهدف البحث في المستقبل إلى تطبيق تقنية FLUENCE، على توليفات أخرى من البوليمر وتطويرها لتصل إلى السرعة التي تتطلبها عملية التصنيع والطباعة المعتمدة على اللفات، والتي يمكن إيصالها إلى سرعة 50 ميلاً في الساعة، وسوف يكون لذلك تأثير كبير في تكلفة صناعة الخلايا الشمسية.