شاب عربي يفاجـ.ـئ الجميع و يحل اللغز الذي حـ.ـير العلماء 10 سنوات
شاب عربي يفاجـ.ـئ الجميع و يحل اللغز الذي حـ.ـير العلماء 10 سنوات
الدكتور ياسر حسن، باحث وعالم مصري في عمر الشباب تمكن مع فريق بحثي في جامعة أكسفورد ببريطانيا من حل اللغز الذي حير العلماء لقرابة 10 سنوات كاملة .
فيما يتعلق بأسباب تلف الجيل الرابع من الخلايا الشمسية بل وتمكن أيضًا من معالجة هذا التلف عبر الاعتماد على مادة ينتجها كبد الإنسان، ولك أن تتعجب أن هذا العالم الذي احتفى العالم ودورية نيتشر الكبرى بإنجازه قد فصلته جامعة الزقازيق التي يعمل بها معيدًا بدعوى الانقطاع عن العمل رغم أنه تقدم لها بأوراق منحته الدراسية وعمله في الخارج.. التقيناه لمعرفة المزيد من التفاصيل.
* ما هو على وجه التحديد إنجازك العلمي أنت وفريقك البحثي؟
– منذ بدء اعتماد العالم على مصادر الطاقة المتجددة التي أهمها طاقة الشمس فقد توصل لعدة أجيال من الخلايا الشمسية أولها الخلايا المصنوعة من السيليكون، وداخل جيل السليكون هناك عدة أجيال أخرى، ولكن تعتبر الخلايا المصنعة من السيليكون بصوره عامة هي أفضل أنواع الخلايا الشمسية وأكثرها كفاءة بقدرة 25%، واستمر هذا الوضع حتى عقد من الزمن وتحديدا في 2012 عندما تم نشر بحث عن خلايا البروفيسكايت الشمسية الجافة .
أنجزه البروفيسور هنري سنيث بجامعة أكسفورد عن مادة أشباه الموصلات البروفيسكايت واستخدامها في الخلايا الشمسية وأصبح هذه المجال هو محور انتباه جميع الباحثين في هذا المجال علي مستوي العالم، وذلك لأن مادة البروفيسكايت تعتبر من أفضل المواد التي اكتشفتها البشرية في خصائصها الفيزيائية والتوصيل الكهربي جعلها تفوق السيلكون في الكفاءة.
* لماذا الخلايا السمشية المصنوعة من البروفيسكايت أفضل من السيليكون؟
البروفيسكايت واستخدامها في الخلايا الشمسية وأصبح هذه المجال هو محور انتباه جميع الباحثين في هذا المجال علي مستوي العالم، وذلك لأن مادة البروفيسكايت تعتبر من أفضل المواد التي اكتشفتها البشرية في خصائصها الفيزيائية والتوصيل الكهربي جعلها تفوق السيلكون في الكفاءة.
* لماذا الخلايا السمشية المصنوعة من البروفيسكايت أفضل من السيليكون؟
– هناك عوامل كثيرة تؤثر علي كفاءة الخلية الشمسية عموما والخلايا المصنوعة من السيليكون خصوصا، من هذه العوامل تركيب أشباه الموصلات أثناء تصنيعها وتكوينها، منها أيضا وجود الشوائب في البللورة، وهذه العيوب البلورية تقلل من كفاءة خلايا السيليكون وقدرتها على امتصاص الضوء في الاتجاه المطلوب وتققل من الكهرباء الناتجة في المحصلة.
ومنذ 1954 وحتى الأن والعلماء ما زالوا يحاولون من تحسين خصائص السيليكون، إلا أن هذا المجال البحثي يوازيه مجهودات أخرى في إيجاد مواد بديلة للسيليكون مما أدى إلى أجيال مختلفة من الخلايا الشمسية وصلت إلي الأن إلي أربع أجيال مختلفة هي الجيل الأول (السيلكون)،
والجيل الثاني (الخلايا الصبغية المستحثة Dye-sensitized solar cells)، والجيل الثالث (الخلايا الشمسية العضوية المعتمدة على مركبات عضوية)، والجيل الرابع (البروفيسكايت).
وعلى مدار الوقت واجه الجيل الثاني والثالث مشاكل فيما يتعلق بكفاءة هذه الخلايا مما أدي إلى أن يبقي السيلكون هو المهيمن علي الصناعة بالرغم من تكلفته العالية، إلي أن ظهر البروفيسكايت أو ما يعرف تحديدا بـ Metal halide perovskites، وفي أول الأمر عام 2009 نشر باحثون يابانيون استخدام البروفيسكايت كبديل للأصباغ لتحسين خصائص الجيل الثاني،
إلا أن تجربتهم لم تجني ثمارا مبهرة، إلى أن جاء البروفييسور هنري سنيث من أكسفورد وأدمج فكرة استخدام البروفيسكايت في خلايا شمسية جافة مثل الجيل الثالث ومن هنا بدأ الجيل الرابع الذي أصبح حديث الساعة.
* لماذا البروفيسكايت أصبح حديث الساعة؟
– نظرا لما أثبتته الأبحاث المتوالية من إمكانية استغلال قوتها ليس فقط لانبعاث الضوء ولكن أيضًا لتأثير أوسع محتمل للتطبيقات الكهروضوئية الأخرى مثل الخلايا الكهروضوئية، وأيضا تمتلك كفاءة توفق السيلكون في ظل رخص تكلفة إنتاجها.
حيث تقاس كفاءة الخلايا الشمسية بثلاثة عوامل مهمة وهي كفاءتها في امتصاص الضوء وتحويله لكهرباء وتكلفة الإنتاج وديمومة عملها علي مدار عشرين سنة على الأسطح.
وخلايا الجيل الأول: عالية الكفاءة ولها قدرة علي العمل المستمر لمدة عشرين سنة إلا أن عيوبها أنها غالية الثمن في التحضير.
والجيل الثاني والثالث: رخيصة الثمن في التحضير إلا أن كفاءتها ليست عالية.
أما الجيل الرابع: رخيصة جدا في ثمن تكلفتها وعالية الكفاءة جدا، لأن مادة البروفيسكايت تعتبر من أفضل المواد التي اكتشفتها البشرية في خصائصها الفيزيائية والتوصيل الكهربي مما جعلها ولأول مرة ماد تفوق السيلكون في الكفاءة.
* إذن ما هي المشكلة؟
– “الحلو ما مابيكملش” زي ما بيقولوا، فمادة البروفيسكايت كانت تعاني من تكسير وعدم ثبات تحت عوامل الضوء والحرارة والعوامل الجوية مما منع تصنيعها للمستهلك لأننا تتلف وتتحول لشيء لا فائدة منه مع الوقت، وعلى مدار العقد الماضي من الزمن ظل الباحثون منشغلين بكيفية حل مشكلة تكسير مادة البروفيسكايت، دون جدوى “حتى تمكنت مع فريقي من ذلك”.
* وكيف نجحت مع فريقك فيما فشل فيه العلماء الذين سبقوكم؟
– عكفنا على فهم لطبيعة الكائنات الحية وكيفية تعاملها مع العناصر المكونة لمادة البروفيسكايت وهي تتكون من هيدروجين، نيتروجين، رصاص، هالوجينات اليود وغيره، وتوصلنا إلى أن مادة الجلوتاثيون التي يفرزها كبد الإنسان لمعالجة الأكسدة بعنصر الرصاص في الجسم هي مفتاح الحل لتثبيت التركيب الكيميائي للمادة في خلايا البروفيسكايت.
وبحثنا عن أدلة ميكانيكا الكيمياء التي تكشف مسارات التدهور وآلية عدم الاستقرار، وتمكنا من التغلب عليها، ونظرنا أولاً في تكوين عنصر البروفيسكايت ووجدنا أن وجود أي ذرات رصاص غير مرتبطة بذرات أخرى على سطح البروفيسكايت يمكن أن تتسبب في تدهور يعرف باسم فصل الهالوجينات.
اعتمدنا على نفس الآلية التي يقوم بها كبد الإنسان يتنظيف الجسم من سموم الرصاص، لإزالة ذارت الرصاص غير المرغوب فيها بخلايا البروفيسكايت وتحقيق ثباتها الكيميائي تحت الضوء والحرارة والعوامل الجوية.
وأدت خطوة العلاج التي توصلنا إليه هذه إلى تلألؤ كهربائي أحمر اللون كان صعب الحصول عليه قبل ذلك مع ثبات كيميائي، فضلا عن أننا توصلنا كذلك إلى أن الرصاص هو المسئول عن تكسير خلايا البروفيسكايت وليس اليود كما كانت تعتقد الأبحاث السابقة لبحثنا.
في تدهور يعرف باسم فصل الهالوجينات.
اعتمدنا على نفس الآلية التي يقوم بها كبد الإنسان يتنظيف الجسم من سموم الرصاص، لإزالة ذارت الرصاص غير المرغوب فيها بخلايا البروفيسكايت وتحقيق ثباتها الكيميائي تحت الضوء والحرارة والعوامل الجوية.
وأدت خطوة العلاج التي توصلنا إليه هذه إلى تلألؤ كهربائي أحمر اللون كان صعب الحصول عليه قبل ذلك مع ثبات كيميائي، فضلا عن أننا توصلنا كذلك إلى أن الرصاص هو المسئول عن تكسير خلايا البروفيسكايت وليس اليود كما كانت تعتقد الأبحاث السابقة لبحثنا.
*ولكن ما مدى استفادتكم من الابتكارات والأبحاث السابقة المشابهة لبحثكم في العالم؟
– أود أن أشير إلى نقطة مهمة جدا بخصوص بحثي المنشور في نيتشر وهي أهمية التعاون العلمي وروح الفريق وأن الباحث الواحد مهما علا قدره لا يتسطيع أن يوفي جميع العلوم ويلم إلماما كاملا بها، وأحب التأكيد أننا الآن في عصر ااإنفتاح وبدون التعاون العلمي بين المجالات المختلفة والأقسام المختلفة يصعب جدا الوصول لنتائج وحلول تفيد البشرية.
فالتعاون العلمي مهم للغاية ولا يوجد ما يسمي بثقافة الأدراج المغلقة والعمل الفردي، أو أن نتائجي لا أعرضها علي أحد خوفا من السرقات العلمية، وإن كانت تحصل في بعض الأحيان لكن العالم في الخارج يستخدم طرق مختلفة للحفاظ علي حقوق الملكية، لكن الإنفتاح على الآخرين والمناقشات الدورية وحضور المؤتمرات وكذلك التعاون المشترك مهم جدا للغاية للوصول للإكتشافات المهمة.
وفي بحثي رغم أنني الباحث الأول به فهو نتاج 19 باحثا مشاركا والنقطة الثانية أننا لم نخترع شي من العدم، بل هو نتاج أبحاث مضنية للباحثين علي مدار 8 سنوات حيث يتم نشر أكثر من سبعين ألف بحث علي مادة البروفيسكايت سنويا ونحن كغيرنا نستفيد من جهود من سبقنا ولذلك يوجد ما يسمي الفهرسة وذكر مجهود الآخرين.
* ما هي التقنيات المُطبَّقة في دراستكم البحثية؟
– البحث شارك فيه ست فرق من جامعات ودول مختلفة كل فريق له اتجاه بحثي مكمل للآخر، فنحن في أكسفورد قمنا بتصنيع المواد واختبار كفاءتها الكيميائية والفيزيائية وفي جامعة كامبريدج تم التحقق من خصائصها الفيزيائية والفريق الإيطالي قام بالدراسة والحسابات النظرية والفريق الأمريكي قام بدراسة الميكانيكية عن طريق القياسات الطيفية والفريق الكوري قام بعمل الخلايا الضوئية وقياساتها وكما تري الباحثين من تخصصات مختلفة من الكيمياء المواد والكيمياء الفيزيائية والكيمياء النظرية وفيزياء المواد التطبيقية والفيزياء النظرية والهندسة الكهربائية
ما هي التطبيقات المستقبلية لإنجازكم؟
– مادة البروفيسكايت لها استخدامات مهمة جدا في الخلايا الشمسية والخلايا الضوئية بجانب مجسات الضوء والإشعاعات السينية والإشعاعات المضرة وكذلك في تنقية الإنبعاثات النووية الضارة بالبيئة، ويعتبر اكتشاف فريقنا خطوة مهمة جدا لفهم المادة وجعلها أقرب للتطبيق في مجال الصناعة.
* متى يستفيد المتسهلك العادي من الإنجاز الذي توصلتم له؟
– هناك شركتان في بريطانيا متخصصتان في إنتاج الخلايا الشمسية وقد بدأت بالفعل في تطبيق ما توصلنا له، وأرى خلال الخمس سنوات القادمة أن الخلايا الضوئية والشمسية المصنوعة من مادة البروفيسكايت ستكون في يد المستخدم العادي بسعر بسيط مما يجعل عالمنا خاليا من الملوثات بعد طول انتظار.
* ما هي الصعوبات التي واجهتكم؟
– ما يواجه الباحثون في مجالاتهم المختلفة هو الحصول علي التمويل من الجهات الداعمة ووجود ثبات وظيفي لهم يؤمن لهم ضغوطات الحياة وتيسير أوضاعهم.
* ما هو طموحك المستقبلي؟
– كباحث ما بعد الدكتوراة أتطلع لأن أكون أستاذا في جامعة بحثية محترمة وقائدا لفريق علمي كي نكمل مسيرة أستاذتنا الذين علمونا ونفيد البشرية في مجالات الطاقة المتجددة.
* بقي أن أسألك عن مشوارك الدراسي والجوائز التي حصلت عليها إن وجدت؟
– حصلت على بكالوريوس العلوم في تخصص الكيمياء من جامعة الزقازيق عام 2002، وحصلت على الماجستير في الكيمياء الضوئية عام 2007 في تعاون بين جامعة الزقازيق مع جامعة عين شمس عن تحلية المياة بالطاقة الشمسية.
وفي عام 2010 حصلت على منحة كاملة مموله من جامعة تورونتو للحصول على درجة الدكتوراة وبدأت دراسة ماجستير أخرى ثم دكتوراة في قسم الهندسة الكيميائية والكيمياء التطبيقية ثم حصلت علي الدكتوراة في عام 2016 في تخصص النانوتكنولوجي، وانتقلت بعدها ليعمل كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أكسفورد بريطانيا في تخصص الخلايا الشمسية والضوئية.
وأنا أحد مؤسسي صفحة العيادة التعليمية Education Clinic ولي أبحاث في مجال الطاقة الضوئية والمواد المتناهية في الصغر منشورة بعدة مجلات عالمية.
حصلت على العديد من المنح والجوائز البحثية فقد حصلت على منحة ممولة بالكامل للحصول علي درجة الماجستير والدكتوراة من أعلي الجامعات الدولية كجامعة تورونتو الأولى علي مستوي كندا ثم منحة جامعة أكسفورد، وحصلت على منحة أحسن رسالة دكتوراة من جامعة تورنتو، وكذلك حصلت على دعم من جهات بحثية كالاتحاد الأوروبي وكذلك جهات صناعية لمجالي البحثي.
