قال توماس إديسون في محادثة أجراها عام 1931 مع هنري فورد: “نبدو أشبه بمزارعين مستأجِرين يقطعون الأشجار حول سور منزلهم للحصول على الوقود، بينما ينبغي أن نستخدم مصادر الطاقة الطبيعية التي لا تنضب كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وموجات المد والجزر. أرى أن الطاقة الشمسية مصدر موثوق ويستحق الاعتماد عليه، فياله من مصدر للطاقة! أتمنى ألا ننتظر لحين نفاد النفط والفحم وأن نبدأ في الاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة”.

وقد بدأنا في ذلك من خلال التعامل مع الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من مواد تسمى أشباه الموصلات، وبشكل خاص مادة السيليكون، والتي تحول ضوء الشمس إلى طاقة.

يقلل ارتفاع درجة حرارة الكوكب من كفاءة تكنولوجيا الطاقة الشمسية.

ويُعزَى ذلك إلى انخفاض كفاءة الألواح الشمسية بنسبة 0.5 بالمائة عند كل ارتفاع في درجة الحرارة بقيمة 1 درجة مئوية، حيث يساهم ضوء الشمس الواقع على الخلية الشمسية في إثارة الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى بسبب الشحنة التي تُنشِئُها، ولكن إذا كانت الخلية ساخنة منذ البداية تكون الإلكترونات في حالة استثارة أصلًا، ما يؤدي إلى إنتاج كهرباء أقل.

والآن، ماذا بعد؟

أصبحت تكنولوجيا الطاقة الشمسية اليوم أكثر كفاءة، لاسيما بعد بدأ الباحثون بتطوير العديد من المواد مُبتَكَرَة وتصنيع نماذج الخلايا الكهروضوئية متعددة الطبقات التي تساهم في امتصاص الضوء من أجزاء مختلفة من الطيف كالأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. وطور الباحثون أيضًا تكنولوجيات متقدمة كمادة البيروفسكايت ذات التركيب البلوري الخاص والذي يتميز بكفاءة عالية في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

ويــرى تــشينــيدو إيــكــومــا، أستــاذ الفــيــزيــاء بجامــعــة ليهــاي الأمــيــركــيــة، أنَّ المشــكــلــة تــكــمــن بصفــةٍ خــاصــةٍ فــي الظــروف المناخــيــة الأشــد حــرارة، إلــا إنَّهُ يــرى حــلــولــًا جــديــدة مــمــكــنــة.

وقــال تــشينــيدو، فــي مــقــابــلــةٍ مــع مجــلــة جــامــعــة خــلــيــفــة لــلــعــلــوم والــتــكــنــولــوجــيــا:

“تــبــدو الألــواح الشمــســيــة عُــرضــةً لــخــطــر فــقــدان كفــاءتــهــا فــي ظــل ارتفــاع درجــات الحــرارة عــلــى مســتــوى العــالــم، ويُــرجــع ذلــك إلــى الحــرارة المــفــرطــة الــتــي تُــفــقِــد الألــواح قُــدرَتــهــا عــلــى تــحــويــل ضــوء الشمــس إلــى كــهــربــاء.

ويــمــكــن أن يُــضــعِــف ذلــك مــن فــعــالــيــة الطــاقــة الشمــســيــة فــي المناطــق الــتــي تــشــهــد مــوجــات حــارة مــطــولــة، وهــو مــا يــدفــع البــاحــثــيــن إلــى ابــتــكــار مــوادٍ تُــؤدِّي أدَاءً فــعَّالــًا حــتَّى فــي الظــروف البــيــئــيــة القــاســيــة”.

ونتج عن بحث تشينيدو، الذي تم تمويله جزئيًا من وزارة الطاقة الأميركية، مادة كمية حققت معدلات كفاءة منقطعة النظير في الخلايا الشمسية ومن المتوقع أن تُسهِم في تطوير الجيل التالي من الخلايا الشمسية عالية الكفاءة.

وأضاف تشينيدو: “تتيح مادتنا الكمية المطورة حديثًا، والتي تتضمن حالات نطاق وسيطة، مستوى أعلى من امتصاص الفوتونات وإنتاج النواقل. ويساهم هذا الابتكار في تسهيل إنتاج أكثر من إلكترون واحد لكل فوتون، ما يدفع بذلك بالكفاءة الكمية إلى ما يتجاوز الحدود التقليدية بنسبة ارتفاع تصل إلى 190 بالمائة، محققًا قفزة كبيرة في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية.

يحظى هذا الابتكار بأهمية خاصة لأنه يتضمن إمكانية تجاوز حد الكفاءة الإشعاعية والذي يمثل الحد الأقصى للكفاءة النظرية باستخدام خلية شمسية ذات تقاطع واحد في ظل ظروف قياسية بنسبة 100%. ويتعين لتحقيق ذلك أن تتجاوز الكفاءة الحد الأقصى لكفاءة تحويل طاقة الشمس والذي يبلغ حوالي 33,7 بالمئة.

ويُعزَى هذا الحد إلى عدم احتواء كافة أشعة الشمس على الطاقة الكافية التي يمكن تحويلها إلى كهرباء، إذ يرتد بعض هذه الأشعة من دون انعكاس، بينما يُفقَد البعض الآخر في صورة حرارة أو يتراجع إلى مستويات أدنى من الطاقة من دون استخدام. ولا تستطيع بعض الأشعة الاحتفاظ بالحالة الالكترونية المستثارة وتعجز عن العودة إلى أحوالها الأصلية قبل إمكانية استخدامها. ولا تمتلك بعض الفوتونات ببساطة الطاقة اللازمة لزيادة الإلكترونات.

تحديات وتطبيقات

لا يرى الفريق البحثي الذي يقوده تشينيدو أي عقبات هامة من شأنها الحيلولة دون تطبيق مادتهم الجديدة على أنظمة الطاقة الشمسية الحالية، إلا أن تشينيدو يشير إلى أن التوسع في إنتاج المادة إلى مستوى تجاري وتطبيقها في التكنولوجيات الجديدة يقتضي مزيدًا من البحث وتقليل التكلفة.

ويمكن للمادة التي ابتكرها تشينيدو أن تطرح حلولًا للدول التي تُصنَّف ضمن الأعلى في درجات الحرارة. وتشمل هذه الأماكن منطقة الشرق الأوسط التي تشهد استخدام الطاقة لغرض التبريد على نحو يفوق أي منطقة أخرى في العالم.

تحظى منطقة الشرق الأوسط بأكثر من 300 يوم مشمس سنويًا، ويتوقع بحسب تقديرات شركة “ريستاد إينرجي” لبحوث الطاقة أن تبلغ كمية الطاقة الشمسية الناتجة عن المنطقة 23 غيغاواط بنهاية عام 2024.

ويتوقع أيضًا أن تصل نسبة الطاقة الشمسية إلى ما يقرب من 50% من إمدادات الطاقة الإقليمية بالمنطقة بحلول عام 2025.

وقّعت منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا تعهدًا خلال مؤتمر الأطراف “كوب 28” الذي استضافته دبي في عام 2023 بإضافة 62 غيغاواط من الطاقة المتجددة على مدار السنوات الخمس المقبلة، على أن تستأثر الطاقة الشمسية بنسبة 85% من هذه الإضافة.

مواضيع ذات صلة مجمعات الطاقة الشمسية تلقي بظلالها على الصحراء