النجم الجشع: لماذا لم تغزو الطاقة الشمسية العالم وكيف يمكن لـ "المعدن الروسي" أن ينقذه

الطاقة الشمسية هي واحدة من تلك المجالات التي تكون فيها النوايا الحسنة للبشرية دائما تقريبًا متقدمة على القدرات التقنية والواقع الاقتصادي. توقع المبدع الأمريكي الأول تشارلز فريتس ، الذي ابتكر أول لوحة شمسية ، في عام 1881 أن يتم استبدال محطات الطاقة العادية قريباً بمحطات الطاقة الشمسية. وهذا على الرغم من أن التثبيت الذي قام بإنشائه كان له كفاءة 1٪ فقط ، أي أن الكثير من ضوء الشمس تحول إلى كهرباء. بعد 140 عامًا ، لم يتحقق حلم تشارلز فريتس أبدًا: لا تزال الطاقة الشمسية تكافح من أجل الحصول على مكان تحت أشعة الشمس مع طواحين الهواء والمولدات والينابيع الحرارية الأرضية والمعادن. ما الذي يبطئ الثورة الشمسية وما هي الأساليب التي تحاول تحسين الألواح الشمسية؟

يبدو أننا بعد أن اخترعنا الطاقة الشمسية ، قمنا بتوصيل سلك غير مرئي إلى أقوى مفاعل في نظامنا الكوكبي ، والذي لن يخرج لمدة خمسة مليارات سنة أخرى على الأقل (وسنفكر في الأمر). لكن الأمر استغرق البشرية قرابة قرن من الزمان لزيادة كفاءة الألواح الشمسية بخمس نقاط مئوية فقط - وهذا حدث عندما قام علماء من مختبرات بيل بإنشاء بطارية أقوى في عام 1954.

ومع ذلك ، فإن التقدم في الطاقة الشمسية في السنوات الأخيرة كان رائعا. إنهم يستثمرون أكثر من أي مصدر آخر للطاقة المتجددة (RES). في الوقت نفسه ، انخفض متوسط ​​تكلفة "الكهرباء الشمسية" منذ عام 2010 من 0.371 دولار إلى 0.085 دولار لكل كيلوواط ساعة.


في السنوات الأخيرة ، ركبت الاستثمارات في الطاقة الشمسية. المصدر: الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) ، مدرسة فرانكفورت - مركز UNEP / BNEF

ومع ذلك ، فإن الطاقة الشمسية لم تغزو العالم بعد. حتى ألمانيا ، التي ولدت في النصف الأول من عام 2019 طاقة أكثر على الطاقة المتجددة من الفحم والذرة ، ليست في عجلة من أمرها للتخلي عن قدرات الفحم البني. بحلول عام 2030 ، تم التخطيط لخفضها من 45 غيغاواط الحالية إلى 37 غيغاواط. وفي الوقت نفسه ، لا يزال النجاح الاقتصادي للطاقة الشمسية مضمونًا إلى حد كبير من خلال السياسات الضريبية والإعانات. وهذا ما يفسر المفارقة: أسعار الكهرباء بالجملة في ألمانيا هي من بين أدنى المعدلات في أوروبا ، والنهاية الأخيرة من بين أعلى المعدلات.

لماذا لا تزال الطاقة الشمسية بحاجة إلى "عكازات مالية"؟ الأسباب كالتالي:

• لا تزال الطاقة الشمسية ليست الأكثر كفاءة - عامل الاستفادة من القدرة المركبة (KIUM) ، أي أن نسبة الطاقة المولدة فعليًا إلى الطاقة المتوقعة التي وضعتها الشركة المصنعة للألواح الشمسية ، تتراوح ما بين 13-18٪ في الشتاء و 30-35٪ في فصل الصيف ، وهو الأقل بين غيرها. الدقة ، وكذلك الغاز والفحم ؛
• ومن هنا ، ارتفعت تكلفة الطاقة الشمسية - حيث يبلغ المتوسط ​​العالمي 0.085 دولارًا لكل كيلووات في الساعة ، بينما في الطاقة الحيوية - 0.062 دولارًا ، للمصادر الحرارية الأرضية - 0.072 دولارًا ، الطاقة الكهرومائية - 0.047 دولارًا ؛ إن المنافس الأقرب فقط هو الأكثر تكلفة - مزارع الرياح البعيدة عن البحر بمؤشر قدره 0.127 دولار ، على الرغم من أن المزارع البحرية توفر الطاقة بسعر 0.056 دولار لكل كيلو وات ساعة ؛
• عدم استقرار وصول الفوتونات من النجوم يجبرنا على استخدام أجهزة إضافية لتجميع وتوزيع الطاقة (بالمناسبة ، تحدثنا عن حل لهذه المشكلة) ؛
• يحتاج نظام الطاقة الشمسية إلى مساحة كبيرة ، سواء كانت محطة ضخمة في الحقل (والأرض القريبة من المدن باهظة الثمن) أو تركيبًا كهربائيًا للمنزل ، حيث لا تحتاج إلى توصيل العاكس والبطارية فحسب ، بل توفر أيضًا إمكانية الوصول إلى الصيانة.

لحل هذه المشكلات ، تحتاج إلى جعل الألواح الشمسية أرخص وأكثر كفاءة - بالمعنى الحرفي للكلمة - مرنة.

إملاء السيليكون

تتكون الألواح الشمسية من مادة تلتقط طاقة الضوء جيدًا. عادة ، يتم وضع هذه المواد بين الألواح المعدنية التي تحمل طاقة محاصرة أسفل السلسلة. في نفس لوحة الطاقة الشمسية 1954 التي أنتجها مهندسو Bell Labs ، لعب السيليكون دورًا رئيسيًا. مع العديد من التعديلات ، لا يزال يهيمن على إنتاج الخلايا الشمسية للخلايا الشمسية ، والتي تشكل أساس 95 ٪ من الألواح.

طيلة نصف قرن ، طور الجنس البشري عدة أنواع من خلايا السيليكون الشمسية. تحتل الحصة الأكبر من السوق العالمي لوحات السيليكون متعددة الكريستالات. هم في الطلب بسبب التوافر النسبي ، والذي يرجع إلى تقنية الإنتاج أرخص. لكن كفاءة هذه اللوحات أقل من نظائرها (14-17 ٪ ، الحد الأقصى - 22 ٪). خيار أكثر تكلفة ، ولكن أيضا أكثر فعالية هو ألواح السيليكون أحادية البلورة. كفاءتها حوالي 22 ٪ (كحد أقصى - 27 ٪).


ما هي التقنيات لإنتاج الألواح الشمسية التي تهيمن على العالم. كما ترون ، يتم إنتاج الوحدات الشمسية متعددة البلورات (61 ٪) في الغالب ، أحادي (32 ٪) إلى حد أقل ، وعدد قليل جدا من الأغشية الرقيقة (غير المتبلورة) - 5 ٪. المصدر: معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ؛ PSE Conferences & Consulting GmbH

على الرغم من التقدم المحرز في الاقتصاد والتكنولوجيا من الألواح الشمسية ، لا تزال تكلفتها مرتفعة. يجب أن تضاف إليها تكاليف إنشاء محطة توليد الطاقة الفعلية (جهاز التحكم ، العاكس ، البطارية) ، والتي بدونها لا تعمل البطارية. في بلدان مختلفة ، تتقلب هذه القيم ، لكن حصة النفقات ، في الواقع ، لا تزال مرتفعة.


ما هي تكلفة "كيلو واط الطاقة الشمسية" في مختلف البلدان تتكون من؟ كما ترون ، في البلدان الرائدة في إدخال الطاقة الشمسية من ثلث ما يقرب من نصف التكاليف هي تكلفة الوحدة. المصدر: الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (إيرينا)

ليس السيليكون واحد

في محاولة لتطوير لوحات أكثر كفاءة ، تم إنشاء وحدات غشاء رقيق (غير متبلور). جوهرها بسيط: يتم تطبيق مادة تعويض الضوء في طبقة رقيقة جدًا على الفيلم ، مما يجعل اللوحة أسهل وأكثر مرونة ، ويتطلب إنتاجها مواد أقل.

صحيح أن كفاءتها أقل بكثير من كفاءة زملائهم في متجر الطاقة الشمسية - 6-8 ٪ لخيارات السيليكون. ومع ذلك ، فإن الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة تربح بالتكلفة لأنها تتطلب طبقة من مادة الاصطياد الخفيفة بعرض يتراوح ما بين 2 إلى 8 ميكرون ، أي حوالي 1٪ فقط من ما يتم استخدامه في الوحدات البلورية التقليدية.

لكن ألواح الأغشية الرقيقة ليست مثالية: نظرًا لكفاءتها المنخفضة ، فإنها تتطلب مساحة أرضية تبلغ 2.5 ضعف تقريبًا. دفع هذا العلماء إلى مواصلة البحث عن مواد أكثر فعالية ، والتي ، من جهة ، مناسبة لتكنولوجيا الأفلام ، ومن ناحية أخرى ، ستكون أكثر فعالية. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها الألواح ، استنادًا إلى المزيد من المركبات الغريبة: سيلوريد الكادميوم (CdTe) وسيلينيد الإنديوم والنحاس والغاليوم (CIGS). تتمتع هذه العناصر بكفاءة أكبر - في الحالة الأولى ، يصل المؤشر إلى 22٪ ، وفي الثانية - 21٪. تفقد هذه الأنظمة كفاءة أقل مع زيادة درجة الحرارة وتعمل بشكل أفضل في ظروف الإضاءة السيئة. ومع ذلك ، فإن تكلفتها أعلى من نظائرها من السيليكون بسبب ندرة المواد المستخدمة. حتى أن بعض العلماء يعتقدون أن مثل هذه اللوحات لن تهيمن على السوق أبدًا ، لأنها لن تملك ما يكفي من الموارد الطبيعية. لذلك ، أصبح هذا النوع من الألواح الشمسية منتجًا مناسبًا للأغراض المحددة لدائرة ضيقة من المستهلكين. في معظم الأحيان ، يتم استخدام الألواح ذات الأغشية الرقيقة من قبل المستهلكين مع توفير مساحة كبيرة: شركات التصنيع ، ومباني المكاتب ، والجامعات ومراكز البحوث ، والمباني السكنية الكبيرة (مع سقف واسع) ، وكذلك ، في الواقع ، المزارع الشمسية - محطات الطاقة الكبيرة. تساعد وفورات الحجم والسهولة النسبية لتركيب ألواح الأغشية الرقيقة الأقوى والأخف وزناً في تحسين مستوى كفاءتها المنخفضة نسبياً (مقارنة بالسليكون البللوري). وفي الوقت نفسه ، يستمر البحث عن "الماسك" المثالي للفوتونات.

مرحبا من العد الروسي

يمكن أن يكون المرشح لدور المنقذ المحتمل للطاقة الشمسية مادة تسمى البيروفسكيت. تم العثور على أول هذه ، تيتانات الكالسيوم ، في عام 1839 من قبل الألماني غوستاف روزا في أعماق خامات الأورال واسمه باسم جامع الصخور الروسي الكونت إل. بيروفسكي ، وهذا هو السبب الذي يطلق عليه في بعض الأحيان "المعدنية الروسية".

اليوم ، عندما نتحدث عن البيروفسكايت ، فإنها تعني في الغالب فئة كاملة من المواد التي لها نفس التركيب البلوري المكون من ثلاثة أجزاء ، والذي تم اكتشافه لأول مرة في تيتانيت الكالسيوم. على الرغم من أن هذه المواد في شكل نقي نادراً ما توجد في الطبيعة ، إلا أنها يمكن الحصول عليها بسهولة من كتلة المركبات الأخرى ، ويمكن بلورات البيروفسكايت أن تنمو بشكل صناعي. يمكن أن يتكون كل جزء من بنية البيروفسكايت من عناصر مختلفة ، والتي توفر مجموعة واسعة جدًا من التراكيب المحتملة لـ "الماسك الفوتوني" ، بما في ذلك الرصاص والباريوم واللانثانم والعناصر الأخرى. لذلك ، فقد ثبت بالفعل أن مزيج البيروفسكايت مع بعض الفلزات القلوية يسمح بإنشاء خلية ضوئية شمسية بكفاءة تصل إلى 22 ٪ ، وتبلغ القوة النظرية للمركبات القائمة على البيروفسكايت 31 ٪.

ومع ذلك ، فإن العمل مع perovskite ليس بهذه البساطة ، ونحن في توشيبا كنا مقتنعين بذلك. بعد التطبيق على الفيلم ، يتبلور البيروفسكايت بسرعة كبيرة ، مما يجعل من الصعب إنشاء طبقة متساوية على مساحة كبيرة. وفي الوقت نفسه ، هذه هي المهمة الرئيسية عند إنشاء خلية شمسية: لتحقيق أكبر مساحة سطحية ممكنة مع الحفاظ على كفاءة تحويل طاقة عالية.

في يونيو 2018 ، أنتجت شركة Toshiba خلية شمسية تستند إلى فيلم بيروفسكايت الرقيق مع أكبر مساحة سطحية وأعلى كفاءة في تحويل الطاقة في العالم. كيف تمكنت من القيام بذلك؟

قمنا بتقسيم المكونات اللازمة لتشكيل البيروفسكايت (محلول يوديد الرصاص - PbI₂ ، هيدروديد الأمونيوم الميثيل - MAI). أولاً ، قمنا بطلاء الطبقة السفلية باستخدام محلول PbI ، ثم باستخدام حل MAI. بفضل هذا ، تمكنا من ضبط معدل النمو البلوري في الفيلم ، مما جعل من الممكن إنشاء طبقة رقيقة ورقيقة من مساحة كبيرة.


Perovskite القائم على تكنولوجيا تصنيع وحدة الطاقة الشمسية. في الواقع ، نخلق "حبر" من العناصر المكونة ل perovskite و "تشويه" لهم على الركيزة. المصدر: توشيبا

بيروفسكايت الاقتصاد

على الرغم من أنه من السابق لأوانه الحديث عن مؤشرات اقتصادية محددة لاستخدام البيروفسكايت ، نظرًا لأن الاستخدام العملي الواسع لهذه المادة في الألواح الشمسية يتم التنبؤ به بعد عام 2025 ، فإن "المعدن الروسي" لديه المتطلبات الأساسية لمستقبل عظيم وناجح. وفقًا لخبراء المعمل الوطني للطاقة المتجددة (NREL) ، سيكون إنتاج ألواح البيروفسكايت أرخص بعشر مرات من نظرائهم من السيليكون. لأسباب ليس أقلها ، بالنسبة لتصنيع خلايا السيليكون الشمسية السائدة ، فإن معالجة المادة عند درجة حرارة تزيد عن 1400 درجة ، وبالتالي ، هناك حاجة إلى معدات متطورة. وفي الوقت نفسه ، يمكن التحكم في البيروفسكايت في محلول سائل عند درجة حرارة 100 درجة على معدات بسيطة (كما في تجربتنا).


تبلغ مساحة الوحدة القائمة على بيروفسكايت 703 مترًا مربعًا. انظر ، وكفاءة تحويل الطاقة التي حصلنا عليها بلغت 12 ٪. المصدر: توشيبا

هناك نوعان من المزايا الأخرى للخلايا الضوئية perovskite - المرونة والشفافية. بفضلهم ، يمكن تركيب الألواح الشمسية perovskite في أماكن مختلفة: على الجدران ، وعلى أسطح المركبات والمباني ، وعلى النوافذ وحتى على الملابس.

من خلال ضبط سمك طبقة البيروفسكايت ، يمكن التحكم في شفافية الخلايا الشمسية بناءً على هذه المادة. على سبيل المثال ، يمكن استخدامه في تغطية الدفيئات : ستتلقى النباتات الكمية المناسبة من الفوتونات ، وسيتم تزويد جزء منها بالشبكة الكهربائية للمزرعة. تجري بالفعل تجارب في اليابان لتحديد النسبة المعقولة التي تستهلكها النباتات والألواح الخفيفة.

مجال آخر محتمل للتطبيق هو تزويد السيارات الكهربائية بألواح شمسية قائمة على البيروفسكيت. بينما نحن في بداية هذا المسار ، ولكن هناك بالفعل إنجازات أولية. لذلك ، جرب علماء من جامعة Western Reserve of Cayes (أوهايو ، الولايات المتحدة الأمريكية) استخدام الألواح الشمسية الصغيرة القائمة على البيروفسكايت لإعادة شحن بطاريات السيارات الكهربائية. لقد قاموا بتوصيل أربع خلايا شمسية قائمة على بيروفسكايت ببطاريات الليثيوم. عند توصيله لشحن بطاريات الليثيوم أيون الصغيرة الحجم ، حقق فريق العلماء كفاءة تحويل بلغت 7.8٪ ، أي ما يعادل نصف الخلايا الشمسية الرقيقة التقليدية.

من الممكن أيضًا أن تزين شرائط من الألواح الشمسية perovskite قريبًا قميصك أو سترتك . من المعروف بالفعل عن تطبيق البيروفسكايت على ركيزة من مادة البولي يوريثين ، والتي بلغت فعاليتها في امتصاص الشمس 5.72 ٪.

وفي روسيا ، ذهبوا أبعد من ذلك في تجارب البيروفسكايت. كما اتضح ، يمكن أن تكون هذه المادة باعث جيد ومناسبة لتوليد الضوء. طور علماء من معهد موسكو للصلب والسبائك (MISiS) وجامعة سان بطرسبرغ لتكنولوجيا المعلومات والميكانيكا والبصريات خلية شمسية قائمة على البيروفسكايت يمكنها العمل في وقت واحد كبطارية وكمصباح LED . الأساس هو الهالوجين بيروفسكيت. لتبديل الوظائف ، يكفي تغيير الجهد المزوَّد بالجهاز: عند مستوى يصل إلى 1.0 فولت ، يعمل النموذج الأولي كخلايا شمسية ، وإذا تم توفير أكثر من 2.0 فولت ، فسيتم تشغيل وضع LED. في المستقبل ، يمكن للعلماء تطوير الأفلام الزجاجية التي تولد الطاقة في النهار وتنبعث منها الضوء في الظلام. في هذه الحالة ، لا يتجاوز الحد الأقصى لسمك الفيلم 3 ميكرون ، مما يحافظ على شفافية الزجاج. وهذا هو ، لن يكون الظلام.


في جميع النواحي تقريبًا ، تتفوق البيروفسكايت على منافسيها ، بما في ذلك متوسط ​​تكلفة الكهرباء طوال عمر الخلية الشمسية من مادة معينة (التكلفة المستوية للطاقة ، LCOE). الصعوبات ممكنة فقط مع التخلص من الألواح المتقادمة بسبب سمية مركبات البيروفسكايت. المصدر: مجموعة الهندسة الجزيئية للمواد الوظيفية (GMF) ، سويسرا

وفورات الحجم

لذلك ، يمكن أن تساعد البيروفسكيت في تعزيز الطاقة الشمسية ليس فقط بسبب قدرتها الاقتصادية على تحمل التكاليف ، ولكن أيضًا نظرًا لنطاقها الأوسع: بالإضافة إلى الصناعة والحضرية والزراعة ، يمكن استخدام الألواح القائمة على البيروفسكيت حتى في الحياة اليومية ، وخاصة في إنتاج الشركات الصغيرة. الالكترونيات والأجهزة المنزلية وحتى الملابس. وكلما زاد نطاق التطبيقات ، زادت قدرة السوق ، مما سيجذب مستثمرين جدد ويقلل من تكلفة الكهرباء الشمسية.