وأفلام بيروفسكيت : لماذا تكون الفرصة اصغر مما تبدو ؟

لماذا تجذب الإنتباه مرة أخرى؟

وظل موضوع البحث الهامشي نسبياً منذ سنوات عديدة موضوعاً بحثياً في الهواء الطلق أو في الهواء الطلق. The reason is straightforward: conventional Blaline silicon solar cells are optimized for outdoor sunlight, while indoor environments have weak illumination, different spectra, much lower light intensity, complex light directions, and frequent shading.

ونتيجة لذلك، لا تتمتع البوليفينيل التقليدي القائم على السيليكون بميزة واضحة داخل المباني. فبعد أن اكتسبت مواد بيروفسكي الاهتمام، بدأت الصناعة في إعادة النظر في توليد الطاقة الداخلية المنخفضة الضوء، ولكن هذا لا يعني أن البوليفينيل الداخلي أصبح فجأة فرصة للطاقة على نطاق واسع.

وتوفر المواد من طراز Perovskite التوحيد عن طريق اللصوصية، والامتصاص القوي للضوء المرئي، والاحتفاظ بالفولط العالي نسبياً تحت التضليل المنخفض. These properties make them appear suitable for LED lighting, fluorescent lamps, commercial lighting, smart buildings, and IoT environments.

وقد أدى ذلك إلى العديد من سرد الأسواق: عدم استبدال البطاريات، وتوليد الطاقة في الهواء الخفيف، وتوليد الطاقة الكهربائية ذاتياً، والإيوت زائداً حصاد الطاقة، وقطع الطاقة الذكية، وأجهزة الاستشعار الخالية من البطاريات. ويمكن لهذه العبارات أن تلغي الفرصة بسهولة. والسؤال الأهم هو ما إذا كان يمكن لحامض السلفونيك البيروفسكيت الداخلي أن يخلق قيمة تجارية كافية في النظم الحقيقية.

والإجابة حذرة: فهي ليست بلا معنى، ولكنها كثيرا ما تكون مبالغ فيها. فالحدود العملية للنفاذ الفيزيائي الداخلي ضيقة، كما أن حالات الاستخدام التي تعمل حقاً أصغر بكثير مما يشير إليه العديد من السرود الترويجية.

الطبيعة الحقيقية لPV: توليد الطاقة من القوى الصغيرة

هذه هي النقطة التي يسهل فهمها وتؤكد مناقشات كثيرة على كفاءة التحويل الداخلي بنسبة 30 في المائة أو 35 في المائة أو 40 في المائة أو حتى أعلى. ولكن الكفاءة وحدها لا تقول الكثير إذا كانت طاقة المدخلات صغيرة جدا.

فالبيئات الداخلية ببساطة لا توفر قدراً كبيراً من الطاقة المحصولة. والطبيعة الحقيقية للمنشطات المكلورة داخليا ليست توليد الطاقة على نطاق واسع؛ بل هي حصاد الطاقة من الطاقة الصغيرة. وهذا هو السبب في أنها لا تستطيع أن تدعم معظم الأجهزة الإلكترونية العادية ولا ينبغي أن تُحزم كنظام رئيسي للطاقة.

ما مدى ضعف الضوء الداخلي؟

والفجوة الوهمية بين البيئات الداخلية النموذجية وضوء الشمس في الهواء الطلق كبيرة جدا:

الوهم الداخلي هو عادة بضع مئات إلى ألف من ضوء الشمس في الهواء الطلق والأهم من ذلك، أن الرفاهية ليست نفس القوة الفعلية. وعند تحويلها إلى كثافة طاقة خفيفة، تظل الفجوة كبيرة:

ويصل الفرق إلى أمرين أو ثلاثة من الحجم. وهذا يعني أنه حتى لو بلغت نسبة كفاءة البيروفسكيت الداخلية 40 في المائة، فإن القدرة الفعلية على الإنتاج لا تزال منخفضة. والمسألة الأساسية ليست مجرد أن الكفاءة منخفضة جدا؛ بل هي أن طاقة المدخلات نفسها محدودة للغاية.

مقياس طاقة واقعي أكثر

افترض أن مساحة غشاء البيروفسكايت تبلغ 10 cm × 10 cm، أي 100 cm². إذا كانت شدة الإضاءة الداخلة في الأماكن المغلقة 0.5 mW/cm² وكفاءة التحويل الداخلي 40%، فيكون تقدير القدرة كما يلي:

This already assumes ideal lighting, direct alignment to the light source, no shading, high laboratory efficiency, and optimized spectral matching. وفي البيئات التجارية الحقيقية، يقترب الناتج المستمر عادة من 1 إلى 10 ميغاواط. وهذا هو الحد المادي للفولط الداخلي والسبب الرئيسي الذي يجعله غير ملائم لمعظم التطبيقات.

ماذا يمكن لـ 1-10 ميغاواط أن تفعل؟

الجواب هو: ليس كثيرا. ولا يمكن أن تدعم الطاقة المستمرة في نطاق يتراوح بين 1 و10 ميغاواط سوى مجموعة صغيرة من الأجهزة ذات القدرة المنخفضة، بل إن هذه الأجهزة تحتاج عادة إلى فترات نوم طويلة، والاستشعار المنخفض التردد، وتفجيرات الاتصالات القصيرة، وتخزين الطاقة المحلية.

ولذلك، فإن الاتجاه الواقعي للبيروفسكيت الداخلي ليس هو الهواتف الذكية، أو الأجهزة المنزلية، أو الكاميرات، أو صناديق آي، أو الإلكترونيات الاستهلاكية العامة. إنّها طاقة مُنخفضة جداً و حصاد الطاقة. وحتى في هذه التطبيقات، فإن العديد من النظم لا تُستخدم مباشرة بواسطة PVK متى كان الضوء متاحاً؛ فهي بحاجة إلى رقاقة لإدارة الطاقة، أو كبش فداء خارق، أو بطارية صغيرة كعازلة.

عدد قليل من حالات الاستخدام التي قد تعمل

1. ملصقات الرفوف الإلكترونية (ESL)

وعلامات الرف الإلكتروني واحدة من الاتجاهات القليلة التي لها أساس واقعي. وتستهلك العروض الإيضاحية أو الإلكترونية أي طاقة تقريباً عندما تكون ثابتة وتستعمل الطاقة أساساً أثناء أحداث التجديد، بحيث يكون متوسط استهلاكها من الطاقة منخفضاً جداً.

In this case, the value of indoor PV is not “free power.” وهو يقلل من تواتر استبدال البطاريات على نطاق واسع. وقد تعمل التجزئة الكبيرة عشرات الآلاف أو حتى مئات الآلاف من علامات الرف الإلكتروني، ويمكن للاستعاضة يدويا عن بطاريات الخلايا المعدنية أن تخلق تكاليف صيانة مرتفعة.

ولهذا السبب، قد يكون لحامض نووي داخلي زائد تخزين أو بطارية صغيرة بعض المعنى التجاري في نظم ESL. ولكن إذا كان مفهوما على أنه عملية خالية تماما من البطاريات لا تعمل إلا بضوء داخلي، فمن السهل المبالغة في قدرتها.

2 – أجهزة استشعارات لاسلكية داخل الباب

وتشمل أجهزة الاستشعار اللاسلكية الداخلية أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة، وأجهزة استشعار ثاني أكسيد الكربون، ورصد تدفق الناس، وكشف الشغل، ورصد المستودعات، والندوات البيئية ذات البناء الذكي. وعادة ما تنم هذه الأجهزة معظم الوقت، والعينة الدورية، وتنقل البيانات إلا أحيانا، بحيث يكون متوسط استهلاك الطاقة منخفضا جدا.

هذا أحد المجالات القليلة التي قد تلبي فيها الطاقة الكهروضوئية الداخلية متطلبات النظام. لكن ذلك يعتمد على تصميم نظام منخفض الاستهلاك في نطاق μW–mW، لا على «قدرة خرج عالية» من غشاء الخلية نفسه. ويتكون النظام التجاري الواقعي عادةً من خلية بيروفسكايت (PVK) وشريحة لإدارة الطاقة ومكثف فائق أو بطارية صغيرة.

وبعبارة أخرى، فإن PVK النقي بدون تخزين غير واقعي في معظم الحالات. ويرجح أن يمتد السائل المنوي الداخلي لحياة البطاريات أو يقلل من تواتر الصيانة عن أن يحل محل البطارية بالكامل.

أكبر المشاكل للدبابات الداخلية

1 – الاستقرار

وعلى الرغم من أن البيئات الداخلية أكثر ميلاً من الظروف الخارجية، فإن المنتجات التجارية لا تزال بحاجة إلى تلبية متطلبات السلامة، والتدهور المنخفض، ومقاومة الرطوبة، والاستقرار الحراري، والتعبئة الموثوقة. وإذا فشل منتج ما بعد بضع سنوات أو واجه مسائل تتعلق بالتعبئة، فإن وفورات الصيانة قد تختفي.

٢ – تكاليف النظام

In many cases, a CR2032 coin-cell bat is cheaper. ويتطلب نظام PVK داخلي فيلماً مقطعياً، وبطاقة لإدارة الطاقة، ووحدة تخزين للطاقة، وتصميماً آلياً، وتكامل النظام، والتحقق من الموثوقية. As a result, the return on investment is not automatically attractive.

3 – الرصاص في الامتثال

ولا تزال معظم المواد ذات الكفاءة العالية تحتوي على الرصاص. وفي الإلكترونيات الاستهلاكية، يمكن أن تصبح الأجهزة الطبية، وبيئات التجزئة، والمساحات العامة، والتنظيم، وموثوقية الكفاءات، قضايا حاسمة.

الخلاصة: قضية نيتش باوندري، وليست فرصة رئيسية للطاقة

غير أن PV البيروفسكيت الداخلي ليس له قيمة كاملة، ولكن حدوده الممكنة ضيقة. ولا يمكنها أن تحل محل PV في الهواء الطلق كحل رئيسي للطاقة، وهي غير ملائمة بشكل مستمر لتشغيل الهواتف الذكية، أو الكاميرات، أو أجهزة آي، أو الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية العادية.

وثمة رأي أكثر دقة هو أن القيمة التجارية للفولط الفيزيائي الداخلي تقتصر أساسا على أشعة إيو تي منخفضة الطاقة وجني الطاقة، ولا يزال العديد من النظم بحاجة إلى عنصر للبطارية أو تخزين الطاقة. وينبغي أن ينظر تقييم مفيد إلى ما هو أبعد من كفاءة المختبرات، وأن ينظر في استخدام الطاقة الخفيفة للمدخلات، والطلب على الطاقة في النظام، وهيكل التخزين، والاستقرار، والتعبئة، والتكلفة، والامتثال.