“الراجي” يثبت اكتشاف جديد : الخلايا الشمسية الترادفية تحقق كفاءة تصل إلى 33.1%

تصنيع خلايا “البيروفسكايت” الشمسية الترادفية “السيليكونية” تؤدي لتحسينات إضافية في الكفاءة..
_______________
خبراء : الخلايا ستكون أكثر ملاءمة للبيئة المصرية الحارة وتقلل تكاليف الصيانة وترفع موثوقية مصادر الطاقة المتجددة

ستيفان دي وولف:
الاكتشاف يعزز فهم العمليات بالخلية العلوية أثناء تحويل الضوء لكهرباء..

ستيفان غلونز:
الاكتشاف يفيد صناعة الطاقة الكهروضوئية ويحقق كفاءات عالية في الإنتاج الصناعي..

محمد سليم :
تبني التقنية الجديدة يضعنا في موقع الريادة،ويضمن خفض تكلفة الطاقة المنتجة ..
الباحث المصرى محمود الدماصى : نجحنا فى تطوير خلايا شمسية أكثر ثباتا تحتفظ بكفاءتها وثباتها الكيميائي والفيزيائي في درجات الحرارة المتطرفة..

خلايا بيروفسكايت الشمسية آمنة بيئيا وتعزز تصدير مصر للطاقة ..

========
اتخذ فريق بحثي دولي من علماء الطاقة الكهروضوئية خطوةً حاسمةً نحو تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية الترادفية السيليكونية. وأثبتوا إمكانية تخميل خلية البيروفسكايت العلوية عند دمجها مع خلايا السيليكون السفلية ذات النسيج الهرمي الكبير، وهي المعيار الصناعي الحالي للخلايا الشمسية. كما اكتشفوا أن التخميل يؤثر على طبقة البيروفسكايت بأكملها – على عكس السيليكون، حيث تقتصر المعالجة السطحية على الطبقات العليا – مما يؤدي إلى تحسينات إضافية في الكفاءة.
وقد عرض باحثو الطاقة الكهروضوئية من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) وجامعة فرايبورغ ومعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) ابتكاراتهم التكنولوجية والعلمية لتخميل خلايا البيروفسكايت العلوية .
وفي نوفمبر 2023، أعلنت شركة LONGi الصينية عن تحقيق رقم قياسي جديد لكفاءة الخلايا الشمسية التيراندفية (السيليكون + البيروفسكايت) بنسبة 33.9%، وهو أول مرة تتجاوز فيها هذه التقنية الكفاءة لهذا الحد .
وفي يونيو 2024، رفعت LONGi الكفاءة إلى 34.6%.
وهناك أيضًا شركة JinkoSolar، التي أعلنت في يناير 2025 عن بلوغ خلية تيراندفية (بيروفسكايت + (بولى سليكون)TOPCon) كفاءة 33.84%.

تأثير المجال العميق

صرّح الدكتور أسامة الراجي، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث في معهد فراونهوفر للهندسة الكهربائية. بأن الخلايا الشمسية الترادفية المُخمّدة حققت كفاءة تحويل تصل إلى 33.1%، بجهد دائرة مفتوحة يبلغ 2.01 فولت.
كما لاحظ العلماء أيضًا أن تخميل خلية البيروفسكايت العلوية يُحسّن موصلية الخلية، وبالتالي عامل امتلائها. وأثبتوا أن هذا التحسن ناتج عن تأثير المجال العميق الناتج عن التخميل. في خلايا السيليكون الشمسية، يؤثر التخميل فقط بالقرب من السطح، بينما في خلايا البيروفسكايت الشمسية،حيث تؤثر المعالجة السطحية على الممتص بأكمله، مما يُعزز خصائصه الكلية.

الأبحاث المستقبلية

قال البروفيسور ستيفان دي وولف، أستاذ علوم وهندسة المواد والفيزياء التطبيقية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية: “يُشكل هذا الاكتشاف أساسًا متينًا لجميع الأبحاث المستقبلية في هذا المجال. فهو يُعزز فهمنا للعمليات التي تحدث في الخلية العلوية أثناء تحويل الضوء إلى كهرباء، مما يُمكّن العلماء من الاستفادة من هذه المعرفة لتطوير خلايا شمسية ترادفية أفضل.”

الإنتاج الصناعي

يضيف البروفيسور ستيفان غلونز، أستاذ تحويل الطاقة الكهروضوئية بجامعة فرايبورغ ومدير قسم الخلايا الكهروضوئية في معهد فراونهوفر للهندسة الكهربائية والإلكترونية: “إن التخميل السطحي للخلايا الشمسية ليس مجرد ميزة إضافية، بل هو عامل أساسي لكفاءتها واستقرارها”. ويضيف: “بالنسبة للخلايا الشمسية السيليكونية الحالية، كان التخميل السطحي عاملًا أساسيًا لتحقيق كفاءات عالية في الإنتاج الصناعي، ومن المشجع أن صناعة الطاقة الكهروضوئية ستستفيد أيضًا من هذه الآثار الإيجابية على الخلايا الشمسية الترادفية السيليكونية المصنوعة من البيروفسكايت”.

وتستند نتائج الباحثين إلى العمل في مشروع منارة فراونهوفر MaNiTU وكذلك المشاريع PrEsto وPerle، وكلاهما ممول من قبل وزارة الشؤون الاقتصادية والطاقة الاتحادية.

وصف الاكتشاف

تتكون الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من السيليكون البيروفسكايت من خلية علوية من البيروفسكايت وخلية سفلية من السيليكون. وتمثل هذه الخلايا أحدث تطور تكنولوجي كبير في مجال الطاقة الكهروضوئية، حيث يقترب تطوير الخلايا الشمسية السيليكونية من أقصى كفاءة فيزيائية لها، وهي 29.4%، لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.
ولإنتاج هذه الخلايا الشمسية الترادفية على نطاق واسع، يُفضّل استخدام خلية شمسية سيليكونية قياسية للخلية السفلية، نظرًا لرسوخ عمليات تصنيعها. تُصمّم هذه الخلايا الشمسية لزيادة مساحة سطحها، مما يُحسّن كفاءتها، إلا أن هذا الصقل يُعقّد أيضًا عملية ترسيب طبقة البيروفسكايت.

وأفاد الباحثون فى بيانهم الرسمى ، أنه لم يُنجز بعدُ التخميل السطحي عالي الجودة للخلية العلوية المصنوعة من البيروفسكايت على السطح الهرمي. وحتى الآن، لم يُستغلّ التخميل الفعال بشكل كامل في الخلايا الشمسية الترادفية السيليكونية البيروفسكايتية المزخرفة، حيث اقتصر النجاح السابق إلى حد كبير على الهياكل ذات الواجهة المسطحة.
وتابعوا : نجحنا الآن في تخميل ممتاز بترسيب 1،3-دايامينوبروبان ثنائي هيدروأيوديد على سطح البيروفسكايت غير المستوي،”.

نقلة نوعية

بدوره عقب الدكتور محمد سليم سالمان،عضو المجلس العربى للطاقة المستدامة ؛ على الاكتشاف الجديد قائلا: يُعد هذا الإنجاز نقلة نوعية لأنه تحقق على أسطح السيليكون المحببة  (Textured Silicon) ، وهي الأكثر استخداماً في الصناعة، ما يجعله أقرب إلى التطبيق العملي وخطوط الإنتاج.
و اوضح ان البروفيسكايت (Perovskite) هو اسم لمجموعة من المواد ذات تركيب بلوري فريد (ABX₃). وفي التطبيقات الشمسية يشير إلى هاليدات البروفيسكايت العضوية – اللاعضوية، التي تمتاز بقدرتها العالية على امتصاص الضوء، ومرونتها في التصنيع، وانخفاض تكلفتها، والأهم أنها تكمل السيليكون في الخلايا المزدوجة  (Tandem Cells)، ما يسمح بتجاوز الحد النظري الأقصى لكفاءة السيليكون وحده (حوالي 29%).

دلالات الاكتشاف

أضاف أن الاكتشاف يمثل:
• قفزة في الكفاءة:  الخلايا الشمسية التجارية اليوم تعتمد غالباً على السيليكون بكفاءة بين 22% – 25%، بينما الكفاءة الجديدة تجاوزت حاجز 33%، أي بزيادة ملحوظة في إنتاج الطاقة من نفس المساحة.
• جاهزية صناعية:  توافق التقنية مع السيليكون المحبب المستخدم صناعياً يعني أن نقلها من المختبر إلى خطوط الإنتاج سيكون أكثر سهولة.
• إشراك إقليمي:  مشاركة السعودية في هذا البحث مع فراونهوفر تعكس اهتمام المنطقة بالبحث العلمي المتقدم في الطاقة الشمسية، وتفتح الباب أمام تعاون عربي-أوروبي نحو مستقبل أكثر استدامة.
•
الأثر على تعظيم الاستفادة من الطاقة الشمسية

اوضح سليم ان ،هذا الاكتشاف يمثل خطوة نحو تعظيم إنتاجية وحدات الطاقة الشمسية في محطات الكهرباء الكبرى وكذلك في تطبيقات الأسطح والمشروعات اللامركزية (RTPV)،  فمع ارتفاع الكفاءة تقل الحاجة لمساحات إضافية من الأراضي أو الأسطح، ويزيد العائد الاقتصادي لكل كيلووات مركب،  كما أن رفع الجهد الكهربي (Voc) في الخلايا المزدوجة يقلل الفواقد ويعزز من موثوقية أنظمة التخزين والشبكات الذكية. وبالتالي  تحقق الطاقة الشمسية الفوتوفولتية ريادة مستقبلية  مما يفتح المجال لخفض تكلفة الطاقة المنتجة (LCOE)،
التصنيع المحلي والتوافق مع احدث التكنولوجيات
وقال :وجب التنبيه إلى أن التصنيع المحلي في الدول الطامحة للريادة – مثل مصر والسعودية – يجب أن يستفيد من هذه القفزات التكنولوجية، فالتوسع في مصانع الألواح الشمسية بتقنيات تقليدية فقط قد يُعرض الصناعة لمخاطر التراجع أمام المنافسة العالمية،  أما تبني أحدث تقنيات البروفيسكايت-سيليكون، فهو يضع هذه الدول في موقع الريادة، ويضمن خفض تكلفة الطاقة المنتجة (LCOE)، وتعظيم الاستفادة من البنية التحتية للطاقة، وتقليل الاعتماد على الواردات.
خاتمة
واختتم حديثه قائلا :إن الوصول إلى كفاءة 33.1% ليس مجرد خبر علمي، بل هو إشارة إلى مستقبل الطاقة المتجددة. وإذا ما تبنت الدول العربية هذه التكنولوجيا في البحث والتطوير والتصنيع المحلي، فستكون في مقدمة الدول التي تحقق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية، وتضع نفسها على خريطة الريادة العالمية في مجال الطاقات المتجددة.

مصر والاقتصاد الوطنى

واتفق الخبراء على أهمية هذا الاكتشاف الجديد بالنسبة لمصر وهو ما رصدته ” العالم اليوم ” حيث أكدوا ان الاكتشاف الجديد للخلايا الشمسية المزدوجة من السيليكون والبروفسكايت بكفاءة 33.1% يحمل تأثيراً إيجابياً كبيراً على مصر، حيث يمكن أن يعزز مشاريع الطاقة الشمسية واسعة النطاق، ويوفر تكاليف الطاقة، ويدعم الاقتصاد الوطني من خلال جذب استثمارات في تكنولوجيا الطاقة النظيفة. كما أن الاستقرار العالي في الظروف المناخية القاسية يعني أن هذه الخلايا ستكون أكثر ملاءمة للبيئة المصرية الحارة، مما يقلل من تكاليف الصيانة ويرفع موثوقية مصادر الطاقة المتجددة في البلاد. 

التأثيرات المحتملة على مصر

• زيادة كفاءة مشاريع الطاقة الشمسية:الكفاءة المرتفعة لهذه الخلايا تعني إنتاج كمية أكبر من الكهرباء من نفس المساحة، مما يجعل مشاريع الطاقة الشمسية أكثر جدوى واقتصادية. 
• تقليل التكاليف:إنتاج طاقة أكبر مع استقرار أفضل يعني تقليل التكاليف التشغيلية والصيانة على المدى الطويل، مما يعود بالفائدة على الاقتصاد المصري. 
• تحسين موثوقية الشبكة:الاستقرار العالي للخلايا في درجات الحرارة المرتفعة يجعلها خياراً مثالياً للظروف المناخية في مصر، ويضمن استدامة إنتاج الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المتجددة. 
• جذب الاستثمارات والتكنولوجيا المتقدمة:مثل هذه الابتكارات تجعل مصر وجهة جذابة للاستثمارات في تكنولوجيا الطاقة النظيفة، ويمكن أن تساهم في نقل وتطوير الخبرات المحلية في هذا المجال. 
• دعم تحقيق أهداف التنمية المستدامة:يتماشى تبني هذه التكنولوجيا مع التزام مصر بتعزيز استخدام الطاقة المتجددة وتحقيق أهدافها المناخية. 

باحث مصرى

على جانب أخر ، نجح فريق يضم باحثا مصريا في تطوير خلايا شمسية أكثر ثباتا وقادرة على الحفاظ على كفاءتها وثباتها الكيميائي والفيزيائي في درجات الحرارة المتطرفة، من 60 درجة تحت الصفر إلى 80 درجة مئوية، وتعمل بكفاءة عالية تصل إلى 24.6%.
نُشرت الدراسة في دورية “ساينس” (Science) ، بمشاركة الباحث المصري محمود الدماصي، باحث الدكتوراه في معهد هيلمهولتز برلين للطاقة والمواد بألمانيا، والذي تتركز أبحاثه حول خلايا البيروفسكايت الشمسية الصديقة للبيئة.
تخرج محمود الدماصي من كلية العلوم، بجامعة الزقازيق عام 2011 بتقدير امتياز مع مرتبة الشرف، وعيّن باحثا مساعدا في معهد بحوث البترول، ثم حصل على درجة الماجستير في مجال الإضافات البترولية، وهي مواد كيميائية يتم إضافتها أثناء الإنتاج لتحسين خواص زيت البترول.
وخلال دراسته لدرجة الماجستير اكتسب الدماصي خبرة تتجاوز 5 سنوات في مجال البترول، في صحراء مصر الغربية، والتي ألهمته للتوجه إلى دراسة الطاقة الشمسية للاستفادة من ذلك المورد المتجدد، خاصة في ظل الاتجاه العالمي نحو الطاقة النظيفة من أجل الحد من آثار تغير المناخ على كوكبنا.
يقول الدماصي “وجودي في الصحراء للتنقيب عن المواد البترولية غير المتوفرة بكثرة جعلني أدرك أن شمس الصحراء الحارقة من الممكن أن توفر لنا موردا مستمرا للطاقة يمكن استغلالها بوجود الإمكانات المناسبة لتكفي حاجتنا من الطاقة الكهربية، بل حتى إنه يمكن توريدها لدول أخرى في مقدمتها أوروبا”.
واضاف ؛يوجد العديد من أنواع الخلايا الشمسية، أكثرها شهرة والمستخدمة تجاريا حاليا هي الخلايا المصنوعة من السيليكون (مادة غير عضوية) والتي تتراوح كفاءتها تجاريا بين 18% و22%، وفي المعمل تصل كفاءتها إلى 26%، ويمكن أن تستمر من 20 إلى 25 عامًا.
وهناك نوع آخر يتمتع بسهولة ومرونة في الإنتاج، وهو الخلايا الشمسية العضوية، والتي تتكون من مواد عضوية يسهل تصنيعها في حالات مختلفة، ليست صلبة فقط، ويمكن طباعتها بالطابعات ثلاثية الأبعاد، الأمر الذي يتيح استخدامها في المباني من الخارج، ولكن مشكلتها أن كفاءتها ضعيفة ولا تتعدى 11%، وغير ثابتة لمدة طويلة.
أما الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت فتتكون من بلورات من مزيج بين المواد العضوية وغير العضوية، يقول الدماصي إن البيروفسكايت “مادة واعدة جدا، ولها خواص كهروضوئية متميزة، إذ تمتص الضوء بقوة عالية جدا، ويمكن التحكم في نوع الأشعة التي تمتصها، على عكس مادة السيليكون، كما تتميز البيروفسكايت ببساطة تركيبها وسهولة تحضيرها، وتحقق كفاءة عالية تصل إلى 25.7%، أي أنها تستطيع تحويل 25.7% من الطاقة الضوئية الساقطة عليها إلى تيار كهربائي”.
وبينما تستخلص مادة السيليكون من الرمال، وتصنع على شكل بلورات عملاقة يفقد معظمها أثناء عملية تصنيع الخلايا الشمسية، يتم تصنيع مادة البيروفسكايت في صورة محاليل تستخدم كلها دون فاقد يذكر، كما يسهل تصنيعها في صور مختلفة وطباعتها في أشكال متنوعة.

صعوبات خلايا البيروفسكايت

لم تجد الخلايا الشمسية المصنعة من البيروفسكايت طريقها إلى الأسواق التجارية حتى الآن، ويرجع ذلك إلى سببين رئيسيين أوضحهما “الدماصي” ، إذ يقول إن “الثبات يقف عائقا أمام الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت، فأقصى مدة ثبات حققتها هذه الخلايا لا تتجاوز 10 سنوات في ظروف التشغيل الطبيعية، ومن ثم فهي لا تستطيع منافسة خلايا السيليكون بشكل كبير في وضعها الحالي، ولكن بالنظر لتكلفتها المنخفضة، تقترح بعض الدراسات أن وصولها لمدة ثبات تبلغ 12 إلى 15 عاما بكفاءة من 20% إلى 22% قد يجعلها تنافس السيليكون تجاريا”.
ويضيف أن السبب الآخر هو أن بعض الخلايا الشمسية المعتمدة على البيروفسكايت تحتوي على عنصر الرصاص الثقيل السام، والذي قد يتسرب للبيئة إذا لم يتم التخلص من هذه الخلايا بشكل آمن، الأمر الذي لا يتوافق مع اتجاه العالم للطاقة النظيفة وتجنب المواد التي تضر البيئة.
وأشار “الدماصي” إلى وجود نوع آخر من خلايا البيروفسكايت يحقق كفاءة 14% فقط، ولكنه خال من الرصاص ويعتمد على عنصر القصدير غير الثابت كيميائيا، والذي يتأكسد ويتحول إلى مركب لا يذوب في الماء، ومن ثم فهو خامل بيئيا وأكثر أمانا، وهو النوع الذي استخدمه الدماصي وفريقه في دراستهم.
وقد طوّر الدماصي وفريقه ذلك النوع ليصل إلى درجة كفاءة 24.6%، ولكن الإنجاز الأهم يكمن في الثبات الحراري العالي لمادة البيروفسكايت في الخلايا التي طوروها من خلال إضافة مواد معينة عالية القطبية تتخلل سطح مادة البيروفسكايت، مما يزيد من ثباتها في الظروف المتغيرة ويمكنها من العمل في بيئات مختلفة سواء كانت باردة أو حارة، الأمر الذي يشجع المستثمرين على تبني تلك التكنولوجيا الجديدة وإنتاجها على نطاق صناعي.

تصدير الطاقة الشمسية

يخطط الدماصي للاستمرار في تطوير خلايا بيروفسكايت شمسية مبنية على التصدير، لأنها آمنة بيئيا، وشدد على أهمية الاستثمار في مجال الطاقة الشمسية، موضحا أن موقع مصر وشبكات الربط الكهربي بينها وبين الدول المجاورة مثل السعودية والسودان والدول الأوروبية يتيح لها أن تصدر الطاقة المتوفرة لديها بسهولة.

يقول الدماصي “يمكن تصدير الطاقة الشمسية في صورتين، الأولى تصديرها مباشرة في صورة طاقة كهربائية، إذ يمكن إنتاج الطاقة الشمسية ونقلها بشكل لحظي للدول القريبة مثل اليونان، أما الصورة الأخرى فتكون من خلال تحويلها إلى هيدروجين بتحليل المياه إلى هيدروجين وأكسجين، ثم تخزين الهيدروجين في أنابيب أو من خلال تحويله لصورة سائلة تتيح نقله وتصديره لأي مكان، ويمكن استخدامه فيما بعد من خلال خلايا الوقود التي تعرض هذا الهيدروجين إلى أكسجين مكونة جزيئات مياه مرة أخرى مصحوبة بطاقة، وهو ما يعرف بتقنية “الهيدروجين الأخضر”.