لا تصمد الألواح الشمسية المصنوعة من مواد مثل السيليكون في وجه التقلبات المناخية في بعض مناطق اليابان، لهذا طور فريق بحثي من جامعة طوكيو ألواح شمسية مصنوعة من التيتانيوم، تتميز بالمتانة والعمر الطويل وتحمل الظروف المناخية الصعبة، مايجعلها مؤهلة لتكون أكثر كفاءة على المدى الطويل في توليد الكهرباء من نفس كمية الضوء مقارنة بخلايا السيليكون التقليدية.

تعتمد هذه الخلايا الشمسية الجديدة على هياكل متعددة الطبقات من أكسيد التيتانيوم والسيلينيوم. إذ تمكن الباحثون من تعزيز الالتصاق بين هذه الطبقات، مما أدى إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة بشكلٍ كبيرٍ عن الأبحاث السابقة. و رغم ذلك قد أظهرت التجارب أن كفاءة تحويل الطاقة بلغت 4.49% وهي أقل من كفاءة ألواح السيليكون التجاري التي تتراوح بين 20% و 25%، لكنها قد تتفوق عليه في الاستخدام على المدى الطويل خاصة في الظروف المناخية المتقلبة.

لطالما كان السيليكون المادة الأساسية في صناعة الألواح الشمسية، لكنه يعاني من عيوبٍ جوهريةٍ مثل الهشاشة وقصر العمر التشغيلي في البيئات القاسية. أما التيتانيوم فيتمتع بقوةٍ استثنائيةٍ ومقاومةٍ للتآكل وطولِ العمر، مما يجعله مادةً مثاليةً للبيئات الصعبة كالمناطق الساحلية المالحة والصحاري القاحلة. هذا يقلل من الحاجة إلى استبدال الألواح بشكلٍ متكررٍ، مما يخفض التكلفة الإجمالية ويقلل النفايات، ويجعل أدوات الطاقة المتجددة أكثر استدامةً.

وقد تم بالفعل اختبار الألواح الجديدة في بيئاتٍ متقلبةٍ في اليابان، مثل جزيرتي أوكيناوا وكيوشو، حيث أثبتت قدرتها على الصمود أمام العواصف وارتفاع نسبة الملوحة.

على الرغم من فوائده العديدة، كانت عملية استخراج التيتانيوم عاليةَ التكلفة وتستهلك طاقةً كبيرةً، مما جعله باهظَ الثمن للاستخدام واسعِ النطاق. لكن فريقَ البحث اليابانية تغلبت على هذا التحدي عبر عمليةِ استخلاصٍ مبتكرةٍ تستخدم الإيتريوم، وهو عنصرٌ نادرٌ يستخدم في العديد من التقنياتِ المتقدمة.

تتضمن هذه العملية تفاعل التيتانيوم المصهور مع الإيتريوم لإزالةِ الأكسجين من خامِ التيتانيوم. وقد نجحت هذه التقنية في خفضِ تكلفةِ الإنتاج بشكلٍ كبير، مما يجعل التيتانيوم خياراً اقتصادياً لصناعةِ الألواح الشمسية.

ومع ذلك، هناك جانب سلبي لهذه العملية، حيث إن المنتج الناتج يحتوي على ما يصل إلى 1% من الإيتريوم، مما قد يؤثر على متانةِ التيتانيوم ومقاومتهِ للتآكل في تطبيقات أخرى مثل صناعةِ الطيران والتقنياتِ الطبية التي تتطلب نقاءً تاماً. لكن في صناعةِ الألواح الشمسية، لا يُشكل وجودُ نسبة بسيطة من الإيتريوم مشكلة.

نُشر البحث في مجلة "مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية".