خلايا شمسية عضوية نصف شفافة قابلة للتوسع مع تحمل قوي لسماكة الغشاء لتوليد الكهرباء المدمج بالمباني

نوافذ تولد طاقتها بنفسها

تخيل أن زجاج ناطحات السحاب أو نوافذ المنازل يمكن أن يعمل كمولدات طاقة هادئة وغير مرئية — يسمح بدخول ضوء النهار بينما يولد كهرباء ويساهم حتى في تبريد الغرف. تُظهر هذه الدراسة كيفية بناء مثل هذه «النوافذ المولدة للطاقة» باستخدام خلايا شمسية عضوية شفافة وذات كفاءة، ويمكن تصنيعها بأحجام وسماكات عملية تناسب المباني الحقيقية.

لماذا الخلايا الشمسية الشفافة صعبة التصنيع

الألواح الشمسية التقليدية معتمة لأنها تمتص أكبر قدر ممكن من الضوء لتعظيم الطاقة. يجب أن توازن الخلايا الشمسية العضوية نصف الشفافة توازناً دقيقاً: فهي بحاجة لأن تسمح بمرور ما يكفي من الضوء المرئي لتظل شبيهة بالنافذة، وفي الوقت نفسه أن تلتقط كمية كافية من الضوء لإنتاج كهرباء مفيدة. حتى الآن، اضطر الباحثون إلى استخدام طبقات نشطة رقيقة جداً — أقل من 80 نانومتر — مصنوعة بمذيبات هالوجينية سامة وتحت ظروف مخبرية محكمة. تعمل تلك الأغشية الشديدة الرقة على خلايا اختبار صغيرة، لكنها صعبة التكرار على مساحات كبيرة. عند توسيعها إلى وحدات بحجم النافذة، تنهار أداؤها عادةً، بحيث يبقى فقط قليل يزيد عن نصف كفاءة الخلية على مستوى الوحدة في اللوح النهائي.

وصفة جديدة لنوافذ طاقة شفافة وسميكة

واجه الفريق وراء هذا العمل المشكلة من اتجاهين متوازيين. أولاً، استخدموا استراتيجية «تخفيف المرسل» في الطبقة الماصة للضوء، بتقليل نسبة مادة المرسل التي تمتص معظم الضوء المرئي وزيادة نسبة مادة المستقبل، التي تكون أكثر شفافية في ذلك النطاق ولكنها لا تزال فعّالة في القرب تحت الأحمر. ثانياً، بدلاً من الطلاء بالدوران لأجهزة صغيرة، استخدموا الطلاء بطريقة السلوت-داي — وهي طريقة شبيهة بالطباعة يمكنها تغطية مساحات واسعة — مع مذيب غير هالوجيني وغير ضار في هواء عادي. باستخدام زوج مرسل–مستقبل معروف باسم PM6:Qx-p-4Cl، ضبطوا الخلطة إلى نسبة مرسل إلى مستقبل 1:3 وأظهروا أن أغشية سميكة نسبياً، حوالى 120–300 نانومتر، يمكن أن تظل نصف شفافة مع الاستمرار في تقديم أداء كهربائي قوي. في أجهزة بحجم 1 سنتيمتر مربع، حققوا كفاءات استخدام ضوء تزيد عن 4% للأغشية الأرق وحوالى 3% للأغشية التي تزيد سماكتها أكثر من ثلاثة أضعاف التصاميم المعتادة، مع الحفاظ على شفافية مرئية متوسطة تتراوح تقريباً بين ثلث ونصف.

كيف يجعل التركيب المجهري ذلك ممكناً

لفهم سبب عمل هذه الأغشية المخففة والسميكة بكفاءة، درس الباحثون بنيتها الداخلية وكيفية تشكلها أثناء التجفيف. مع الطلاء بالدوران التقليدي وبمحتوى عالٍ من المستقبل، تتجمع جزيئات المستقبل في مناطق كبيرة وصلبة، مما يترك تلامساً ضعيفاً مع مادة المرسل ويخلق عنق زجاجة لحركة الشحنة. بالمقابل، عندما تُطبّق نفس الخلطة بواسطة طلاء السلوت-داي على سطح دافئ، تنظم الجزيئات نفسها وهي لا تزال في الحالة السائلة. هذا ينتج شبكة دقيقة متشابكة من مناطق ضيقة شبيهة بالألياف تظل متشابهة في الحجم حتى عند تخفيف المرسل بشكل كبير. تقيس القياسات كيف تتحرك الحالات المثارة وتنفصل إلى شحنات فتُظهر أن هذه الشبكة تحافظ على توليد ونقل شحنة سريعين تقريباً بغض النظر عن نسبة الخليط. والأهم من ذلك، أن المسافة النموذجية التي يمكن أن تنتقلها الإثارة أطول قليلاً من عرض هذه الألياف، لذا فإن معظم الطاقة الممتصة يمكنها الوصول إلى واجهة والتحول إلى شحنة قابلة للاستخدام.

من أجهزة المختبر إلى وحدات نافذة واقعية

بما أن بنية الطبقة النشطة تظل قوية حتى عند السماكات الكبيرة، ينتقل أداء خلايا الاختبار الصغيرة إلى وحدات كبيرة بشكل غير معتاد. بنى الفريق وحدة نصف شفافة بمساحة 100 سنتيمتر مربع مكوّنة من 23 خلية فرعية متصلة وحقق كفاءة تحويل طاقة تزيد عن 10% مع الحفاظ على مرور نحو ثلث الضوء المرئي. احتفظت كفاءة هذه الوحدة كاملة الحجم بحوالي 85% من الكفاءة المقاسة في الأجهزة الفردية، وهو مستوى شوهد سابقاً فقط في الوحدات العضوية المعتمة. ثم دمجوا ست وحدات كهذه في «نافذة» مساحتها 600 سنتيمتر مربع داخل نموذج منزل بمقياس، حيث قامت النافذة بتغذية شاشة صغيرة بالطاقة، وشحن بطارية ليثيوم-أيون، وصدت معظم حرارة القرب تحت الأحمر، مما أبطأ بشكل ملحوظ ارتفاع درجة الحرارة الداخلية تحت ضوء شبيه بأشعة الشمس.

ما معنى ذلك للمباني اليومية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أنه أصبح الآن ممكناً تصميم طلاءات شمسية عضوية شفافة سميكة ومتسامحة مع التصنيع وقابلة للتوسع إلى وحدات بحجم النوافذ دون فقد كبير في الأداء. من خلال تعديل مزيج المواد بعناية وطريقة طباعة وتجفيف الأغشية، أنشأ المؤلفون شبكة داخلية ليفية ومستقرة تعمل جيداً حتى عندما لا تكون الطبقة فائقة الرقة. نتيجة لذلك، يمكن للألواح الكبيرة نصف الشفافة أن تبدو وتتصرف كالنوافذ الحقيقية، بينما تولد طاقة ذات معنى وتساعد في إدارة الحرارة. هذا يقدّم خطوة مهمة نحو مبانٍ مستقبلية تكون واجهات زجاجها مورداً روتينياً للكهرباء، وتخزين الطاقة، وتحسين الراحة — كل ذلك من دون التضحية بالإطلالات أو ضوء النهار.

الاستشهاد: Wang, T., Fang, J., Zhang, H. et al. Scalable semitransparent organic solar cells with robust film thickness tolerance for building-integrated photovoltaics. Nat Commun 17, 2916 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3

الكلمات المفتاحية: الخلايا الشمسية نصف الشفافة, الطاقة الشمسية المدمجة بالمباني, الخلايا الضوئية العضوية, نوافذ شمسية, طلاء سلوت-داي