مستقبل الخلايا الكهروضوئية

كانت الخلايا الكهروضوئية الأولى ، التي تم تطويرها في الخمسينيات من القرن الماضي لتزويد أقمار الاتصالات بالطاقة ، غير فعالة للغاية. منذ تلك الأيام ، ارتفعت كفاءة الخلايا الشمسية بشكل مطرد بينما انخفضت التكاليف ، على الرغم من أنه لا يزال هناك مجال كبير للتحسين. بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة والكفاءة الأفضل ، من المرجح أن تؤدي التطورات المستقبلية في المواد الكهروضوئية إلى استخدام أوسع للطاقة الشمسية لتطبيقات جديدة صديقة للبيئة.

كانت الخلايا الكهروضوئية هي المفتاح لأول أقمار الاتصالات لأن القليل من البدائل يمكن أن تنتج كهرباء موثوقة لفترات طويلة ، خاصة بدون صيانة. التكلفة العالية للقمر الصناعي تبرر استخدام خلايا شمسية باهظة الثمن لتوليد الطاقة. منذ ذلك الحين ، انخفضت تكاليف الخلايا الشمسية بشكل كبير ، مما أدى إلى استخدام أجهزة محمولة غير مكلفة مثل الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية وشواحن الهواتف المحمولة. بالنسبة لتوليد الطاقة على نطاق واسع ، تظل تكلفة كل واط من الكهرباء المنتجة من الخلايا الكهروضوئية أعلى من البدائل مثل الطاقة من الفحم أو الطاقة النووية. من المرجح أن يستمر الاتجاه العام لخفض تكاليف الخلايا الشمسية في المستقبل المنظور.

تنتج الخلية الشمسية الفعالة مزيدًا من الكهرباء من كمية معينة من الضوء مقارنةً بالخلية غير الفعالة. تعتمد الكفاءة على عدة عوامل ، بما في ذلك المواد المستخدمة في الخلية الكهروضوئية نفسها ، والزجاج المستخدم لتغطية الخلية والأسلاك الكهربائية للخلية. أدت التحسينات ، مثل المواد التي تحول جزءًا أكبر من طيف ضوء الشمس إلى كهرباء ، إلى زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بشكل جذري. من المرجح أن تؤدي التطورات المستقبلية إلى زيادة الكفاءة بشكل أكبر ، مما يؤدي إلى انتزاع المزيد من الطاقة الكهربائية من الضوء.

الخلية الكهروضوئية التقليدية عبارة عن قطعة مسطحة من مادة السيليكون مغطاة بالزجاج ومربوطة بلوحة معدنية ؛ إنه فعال ولكنه ليس مرنًا جدًا. أدت الأبحاث الحالية في المواد الكهروضوئية إلى خلايا مطلية على مجموعة متنوعة من الأسطح ، بما في ذلك الورق والألواح البلاستيكية. تقنية أخرى تضع غشاءً رقيقًا للغاية من مادة على الزجاج ، مما ينتج عنه نافذة تسمح بدخول الضوء وتنتج الكهرباء. قد يؤدي التنوع الكبير في المواد الكهروضوئية في المستقبل إلى طلاء المنزل الذي يعمل بالطاقة الشمسية ، ورصف الطرق ، ومعطف يعيد شحن هاتفك الخلوي ، وغيرها من التطبيقات المتقدمة.

التقدم في تكنولوجيا النانو ، دراسة خصائص المواد على المستويين الذري والجزيئي ، لديها إمكانات كبيرة لتحسين الخلايا الكهروضوئية. على سبيل المثال ، يؤثر حجم الجسيمات المجهرية في المواد الكهروضوئية على قدرتها على امتصاص ألوان معينة من الضوء ؛ من خلال ضبط حجم وشكل الجزيئات ، يمكن للعلماء زيادة كفاءتهم. قد تؤدي تقنية النانو في يوم من الأيام إلى طابعة مكتبية ثلاثية الأبعاد تنتج خلايا شمسية دقيقة ذريًا وأجهزة أخرى بتكلفة منخفضة جدًا.

على الرغم من أن الخلايا الكهروضوئية تبشر بخير كبير في التطبيقات المستقبلية ، إلا أنها ستواجه أيضًا بعض القيود المادية الصعبة. على سبيل المثال ، من غير المحتمل أن تتمتع سيارة ركاب تعمل بالطاقة الشمسية تمامًا بأداء أو فائدة الطراز النموذجي الحالي الذي يعمل بالغاز. على الرغم من أن المركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية قد شاركت في المسابقات ، إلا أنها في معظمها نماذج أولية عالية التخصص بملايين الدولارات تتطلب ظروفًا صحراوية مشمسة. العامل المحدد هو ضوء الشمس الذي تتلقاه الأرض ، والذي يصل إلى 1000 واط لكل متر في ظل ظروف مثالية. يتطلب أصغر محرك كهربائي عملي للسيارة حوالي 40 كيلو وات من الطاقة ؛ بكفاءة 40٪ ، هذا يعني أن مساحة الألواح الشمسية 100 متر مربع أو 1000 قدم مربع. من ناحية أخرى ، قد تعمل الألواح الشمسية العملية في يوم من الأيام على تشغيل مركبة صغيرة متجولة للاستخدام العرضي أو توسيع نطاق القيادة لسيارة هجينة تعمل بالكهرباء. تحد الطاقة المحدودة في ضوء الشمس من أداء أي مركبة تعتمد على الخلايا الكهروضوئية.