أن تجد لوحًا شمسيًا فوق سطح منزلك تستمد منه طاقة تؤمن بها حاجتك اليومية من الكهرباء، أمر بات عاديًا. أما أن تتحول نوافذ منزلك أو زجاج سيارتك إلى ألواح طاقة شمسية "شفافة"، فالأمر يبدو مثير للاهتمام وينطوي على تقنية واعدة.
دفع التصدي لتغير المناخ وتأمين مصادر طاقة مستدامة الدول إلى البحث عن وسائل مبتكرة لاستغلال مصادر الطاقة المتجددة بشتى الطرق، وتأتي تقنية النوافذ الشفافة المولدة للطاقة، فيما يعرف بـ "الزجاج الكهروضوئي"، كتقنية واعدة يحاول البحاثون تطويرها يوما بعد يوم، ليصبح توليد الكهرباء جزءًا لا يتجزأ من المباني والسيارات.
ما هو الزجاج الكهروضوئي؟
الزجاج الكهروضوئي هو أحدث تقنيات الألواح الشمسية، وهو عبارة عن ألواح شفافة، لديها القدرة على توليد الكهرباء بالإضافة إلى نفاذ الضوء المرئي. ولتلك التكنولوجيا القدرة على تحويل كل مبنى في العالم إلى مولد للطاقة، نظرًا إلى إمكانية استبدال النوافذ الزجاجية التقليدية بتلك الشمسية.
ظهر الزجاج الكهروضوئي لأول مرة في عام 2014، عندما طوّر باحثون من جامعة ولاية ميشيجان أول مكثف شمسي شفاف بالكامل، والذي يمكنه تحويل أي لوح زجاجي أو نافذة إلى خلية كهروضوئية.
كيف يعمل؟
تعمل الخلايا الشمسية التقليدية على امتصاص ضوء الشمس (الفوتونات) وتحويلها إلى طاقة (إلكترونات). وعندما يكون الزجاج شفافًا، يمر ضوء الشمس عبر الوسط دون استفادة. لذا احتاجت تقنية الألواح الشمسية الشفافة الجديدة إلى تغيير الطريقة التي تمتص بها الخلايا الشمسية الضوء.
لتحقيق هذه التقنية ظهرت مكثفات الإنارة الشمسية الشفافة TLSC، والتي تعمل على تجميع ضوء الشمس عن طريق الأملاح العضوية الموجودة بداخلها، تلك الأملاح مصممة لامتصاص أطوال موجات ضوء الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء غير المرئية. وعند تعرض الأملاح للأطوال الموجية المختلفة تبدأ بالتوهج كطول موجي آخر غير مرئي. ثم يتم توجيه هذا الطول الموجي الجديد إلى حافة النافذة، والتي تحتوي على شرائط الخلايا الشمسية الكهروضوئية الرفيعة التي تقوم بتحويلها إلى كهرباء، ثم تضاف تلك الطاقة الكهربية المتولدة إلى الشبكة المنزلية أو شبكة المنشأة الكهربية.
بالتأكيد -كما أن لها مزايا- تواجه تلك التقنية كغيرها من التقنيات الحديثة بعض العيوب، فمعدل كفاءتها في إنتاج الطاقة 10%، هذا بالإضافة إلى (انخفاض متوسط النفاذية المرئية)، أي كمية الضوء المرئي التي تسمح هذه الألواح الجديدة بمرورها.
الدراسات تجري على قدم وساق لتطوير تلك التقنية الواعدة والحد من عيوبها، وفي دراسة جديدة تمكن فريق بحثي من تطوير نوافذ شبه شفافة تعمل كمولدات للطاقة عن طريق تركيبة من مادة البيروفسكايت، والتي تحل محل مادة السيليكون المستخدمة في تصنيع الألواح الشمسية التقليدية، وتعد مادة غالية الثمن نظرا لصعوبة تصنيعها.
أما البيروفسكايت فهم عبارة عن أشباه موصلات ذات هيكل بلوري، يمكن تصنيعها في درجة حرارة الغرفة مما يجعلها أرخص وأكثر استدامة. كما تجمع مادة البيروفسكايت ما بين عنصري السيزيوم والفورماميدينيوم، ما يرفع كفاءة تحويل الطاقة لتصل إلى 15.5% و4.1%، مع نفاذية مرئية قدرها 20.7% و52.4% على الترتيب.
بالرغم من انخفاض كفاءة تحويل الطاقة عن النتائج السابقة التي بلغت 17%، إلا أن كمية الضوء المرئي التي تسمح هذه المواد الجديدة بمرورها أكبر بكثير، مما يزيد من إمكانية استخدامها في مجموعة واسعة من تطبيقات العالم الحقيقي.
إنفو جراف مميزات الزجاج الكهروضوئي
المستقبل
عد النوافذ الشمسية مجالًا خصبًا للباحثين، ولا يتوقف الأمر على البيروفكسايت. إذ طورت شركة UbiQD في الولايات المتحدة نافذة شمسية بزجاج مقوى ومكثفات إنارة شمسية شفافة اعتمادًا على النقاط الكمومية لكبريتيد الإنديوم والنحاس وكبريتيد الزنك. وتختبرها الآن في منشآت تجريبية.
نشرت الشركة تقنيتها من المكثفات الشمسية المصنوعة من الزجاج الملون بنقاط الكم على العديد من المباني التجارية من بينها نوافذ فندق هوليداي إن إكسبريس في لوس ألاموس بمدينة نيو مكسيكو، حيث يقع مقر الشركة لاختبار اتجاه النافذة، وأفضل أوقات سطوع الشمس خلال اليوم، وموسمية التعرض، ودرجة الحرارة، وطرق التصنيع والتركيب.
كما فاز الفلبيني كارفي إيرين صاحب الـ 27 عاما بجائزة جيمس دايسون للاستدامة 2020 عن ابتكاره لنظام "AuREUS"، وهي مادة بلاستيكية جديدة مصنوعة من بقايا الطعام قادرة على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية لتوليد الطاقة، ولكن لا تزال هذه التقنية الواعدة في مرحلة البحث.
خلال الـ 12 عامًا القادمة، تشير التقديرات إلى أن التقنيات الكهروضوئية بأشكالها المختلفة ستوفر ما يقرب من 345 و1081 جيجاوات بحلول عام2020 و 2030 على التوالي. ويمكن للنوافذ الشمسية أن تحظى بنصيب كبير من هذه التوقعات.
الكل يتسابق لإنتاج زجاج المستقبل، فقد يؤدي استخدام تلك النوافذ إلى إحداث ثورة عالمية في الطاقة، إذ يمكنها تحويل مبان بأكملها إلى كيانات مولدة للطاقة. ونظرًا إلى الاستراتيجيات الحكومية للحد من التغيرات المناخية، والتي تتطلب الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة، فإن تقنيات الطاقة الشمسية تعد أمرًا حيويًا لحماية النظام البيئي.
