محتويات المقالة
تُظهر المواد المسماة perovskites إمكانات قوية لجيل جديد من الخلايا الشمسية ، لكنها واجهت صعوبة في الحصول على قوة جذب في سوق تهيمن عليه الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون. الآن ، تحدد دراسة أجراها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى خريطة طريق لكيفية انتقال هذه التكنولوجيا الواعدة من المختبر إلى مكان مهم في سوق الطاقة الشمسية العالمي.
التقنية الاقتصادية
يُظهر تحليل “التقنية الاقتصادية” أنه من خلال البدء بأسواق متخصصة ذات قيمة أعلى والتوسع التدريجي ، يمكن لمصنعي الألواح الشمسية تجنب التكاليف الرأسمالية الأولية الحادة التي ستكون مطلوبة لجعل الألواح المستندة إلى بيروفسكايت قادرة على التنافس المباشر مع السيليكون لتركيبات المرافق الكبيرة. في البداية. فبدلاً من القيام باستثمار مبدئي باهظ الثمن ، ومئات الملايين أو حتى مليارات الدولارات ، لبناء مصنع لإنتاج على نطاق المنفعة ، وجد الفريق أن البدء بتطبيقات أكثر تخصصًا يمكن تحقيقه لاستثمار رأسمالي أولي أكثر واقعية بناءً على الطلب من 40 مليون دولار.
تم توضيح النتائج من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا postdoc إيان ماثيوز ، عالم الأبحاث ماريوس بيترز ، أستاذ الهندسة الميكانيكية Tonio Buonassisi ، وخمسة آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، كلية Wellesley ، و Swift Solar Inc.
توفر الخلايا الشمسية
يمكن أن توفر الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت – وهي فئة واسعة من المركبات التي تتميز بترتيب معين من تركيبها الجزيئي – تحسينات هائلة في التركيبات الشمسية. المواد المكونة لها غير مكلفة ، ويمكن تصنيعها في عملية لفة مثل طباعة صحيفة ، وطباعتها على مواد دعم خفيفة الوزن ومرنة. هذا يمكن أن يقلل كثيرا من التكاليف المرتبطة بالنقل والتركيب ، على الرغم من أنها لا تزال بحاجة إلى مزيد من العمل لتحسين متانتها. كما يجري تطوير مواد جديدة واعدة للخلايا الشمسية في المختبرات في جميع أنحاء العالم ، ولكن لم يحدث أي تقدم حتى الآن في السوق.
يقول ماثيوز: “كان هناك الكثير من المواد الجديدة للخلايا الشمسية والشركات التي تم إطلاقها على مر السنين. ومع ذلك ، على الرغم من ذلك ، يبقى السيليكون هو المادة السائدة في الصناعة وقد ظل لعقود من الزمن”.
الأشياء التي تعوق التقنيات الحديثة
لماذا هو أن هذه القضية؟ يقول: “لقد قال الناس دائمًا أن أحد الأشياء التي تعوق التقنيات الحديثة هو أن تكلفة بناء المصانع الكبيرة لإنتاج هذه الأنظمة فعليًا على نطاق واسع أمر كبير للغاية”. “من الصعب على الشركات الناشئة عبور ما يسمى” وادي الموت “، لجمع عشرات الملايين من الدولارات اللازمة للوصول إلى المستوى الذي قد تكون فيه هذه التكنولوجيا مربحة في صناعة الطاقة الشمسية الأوسع نطاقًا.”
ولكن هناك مجموعة متنوعة من تطبيقات الخلايا الشمسية الأكثر تخصصًا ، حيث توفر الصفات الخاصة للخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت ، مثل وزنها الخفيف ومرونتها وإمكانية الشفافية ، ميزة كبيرة ، كما يقول ماثيوز. من خلال التركيز على هذه الأسواق في البداية ، يمكن لشركة ناشئة تعمل بالطاقة الشمسية أن تتوسع تدريجياً ، مع الاستفادة من أرباح المنتجات المتميزة لتوسيع قدراتها الإنتاجية بمرور الوقت.
خلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت
ويصف اسلوب الخاص بالخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت التي يتم تطويرها في العديد من المعامل ، حيث يقول: “إنها تطالب بتكاليف منخفضة للغاية. لكنهم يدعون ذلك بمجرد وصول المصنع إلى نطاق معين. وفكرت ، لقد رأينا هذا من قبل – يدعي الناس أن المواد الضوئية الجديدة ستكون أرخص من كل البقية وأفضل من البقية. هذا شيء عظيم ، إلا أننا نحتاج إلى خطة حول كيفية وصولنا فعليًا إلى المواد والتقنية “.
كنقطة بداية ، يقول: “لقد اتبعنا النهج الذي لم أره فعليًا من قبل: دعونا نضع نموذجًا لتكلفة تصنيع هذه الوحدات كوظيفة مقياس. لذلك إذا كان لديك 10 أشخاص فقط في مصنع صغير ، فما المبلغ الذي تحتاجه لبيع الألواح الشمسية حتى تكون مربحة؟ وبمجرد وصولك إلى النطاق ، إلى أي مدى سيصبح منتجك رخيصًا؟ “
السوق لمنشآت الطاقة الشمسية
ويؤكد التحليل أن محاولة القفز مباشرة إلى السوق لمنشآت الطاقة الشمسية على نطاق واسع أو منشآت الطاقة الشمسية على نطاق واسع تتطلب استثمارات رأسمالية كبيرة للغاية. لكن “نظرنا إلى الأسعار التي قد يحصل عليها الناس في الإنترنت من الأشياء ، أو السوق في الخلايا الكهروضوئية المتكاملة بناء. عادة ما يدفع الأشخاص سعرًا أعلى في هذه الأسواق لأنهم أكثر من منتج متخصص. سوف يدفعون أكثر من ذلك بقليل إذا كان منتجك مرنًا أو إذا كانت الوحدة تتوافق مع غلاف المبنى. “وتشمل الأسواق المتخصصة الأخرى المحتملة أجهزة الإلكترونيات الدقيقة ذاتية التشغيل.
مثل هذه التطبيقات ستجعل الدخول إلى السوق ممكنًا دون الحاجة إلى استثمارات رأسمالية ضخمة. “إذا قمت بذلك ، فإن المبلغ الذي تحتاجه للاستثمار في شركتك يكون أقل بكثير ، ويبلغ حوالي بضعة ملايين من الدولارات بدلاً من عشرات أو مئات الملايين من الدولارات ، وهذا يسمح لك بتطوير شركة مربحة بسرعة أكبر ،” هو يقول
إثبات تقنيتهم
يقول ماثيوز: “إنها طريقة تمكنهم من إثبات تقنيتهم ، تقنيًا وفعليًا ، من خلال بناء وبيع المنتج والتأكد من بقائه في هذا المجال ، وأيضًا لإثبات أنه يمكنك التصنيع عند نقطة سعر معينة. “.
ويشير إلى أنه يوجد بالفعل عدد قليل من الشركات الناشئة التي تعمل في محاولة لإدخال خلايا البيروفسكايت الشمسية إلى السوق ، على الرغم من أن أيا منها ليس لديها حتى الآن منتج فعلي للبيع. وقد اتبعت الشركات مقاربات مختلفة ، ويبدو أن البعض يشرع في اتباع نهج النمو التدريجي الذي حدده هذا البحث.
Oxford PV
“من المحتمل أن تكون الشركة التي جمعت أكبر قدر من المال هي شركة تدعى Oxford PV ، وهم يبحثون في خلايا ترادفية ،” تضم كل من خلايا السيليكون والبيروفسكايت لتحسين الكفاءة الكلية. شركة أخرى هي إحدى الشركات التي أنشأها Joel Jean PhD ’17 (وهو أيضًا مؤلف مشارك في هذه الورقة) وشركات أخرى ، تسمى Swift Solar ، التي تعمل على البيروفسكايت المرن. وهناك شركة تدعى Saule Technologies ، تعمل على perovskites القابلة للطباعة.
يقول ماثيوز إن نوع التحليل الاقتصادي التقني الذي استخدمه الفريق في دراسته يمكن تطبيقه على مجموعة واسعة من التقنيات الجديدة المتعلقة بالطاقة ، بما في ذلك البطاريات القابلة لإعادة الشحن وأنظمة التخزين الأخرى ، أو أنواع أخرى من مواد الخلايا الشمسية الجديدة.
يقول: “هناك العديد من الأوراق العلمية والدراسات الأكاديمية التي تبحث في تكلفة تصنيع التكنولوجيا بمجرد أن تصبح على نطاق واسع”. لكن قلة قليلة من الناس ينظرون فعلاً إلى كم يكلف ذلك على نطاق ضيق جداً ، وما هي العوامل التي تؤثر على وفورات الحجم؟ وأعتقد أنه يمكن القيام بذلك للعديد من التقنيات ، وسيساعدنا ذلك في تسريع كيفية حصولنا على الابتكارات من المختبر إلى السوق “.
كما شمل فريق البحث خريجين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سارة صوفيا دكتوراه في عام 1919 وسين تشينج سياه درجة الدكتوراه في عام 1515 ، وطالبة كلية ويلسلي إيريكا ما ، وعضو سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هانو لين. تم دعم هذا العمل من خلال برنامج البحث والابتكار في Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي ، وجمعية مارتن للأسرة للزملاء في مجال الاستدامة ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، وشركة شل ، من خلال مبادرة الطاقة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وتحالف سنغافورة للمعهد الدولي للبحوث والتكنولوجيا.