اكتشف الباحثون في التخنيون وجامعة بن غوريون السبب * كجزء من البحث المنشور في مجلة Nature Materials، تم تطوير طريقة مبتكرة لقياس كفاءة تحويل الفوتونات إلى شحنات كهربائية متنقلة (إلكترونات وفجوات) في أشباه الموصلات. وبهذه الطريقة اكتشفوا عاملاً غير معروف يحد من كفاءة تحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي في أكسيد الحديد (الهيماتيت).
يقدم باحثون من التخنيون وجامعة بن غوريون نتائج جديدة تتعلق بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء ووقود هيدروجين. كجزء من البحث المنشور في مجلة Nature Materials، تم تطوير طريقة مبتكرة لقياس كفاءة تحويل الفوتونات إلى شحنات كهربائية متنقلة (إلكترونات وفجوات) في أشباه الموصلات. وبهذه الطريقة، اكتشفوا عاملاً غير معروف يحد من كفاءة تحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي في أكسيد الحديد (الهيماتيت). ومن المتوقع أن يؤثر العامل المكتشف على كفاءة المواد الأخرى، وخاصة المواد ذات الإلكترونات المرتبطة (المواد المرتبطة بالإلكترون)، والتي يحدث فيها تفاعل قوي بين الإلكترونات والذرات الموجودة في البلورة. ومن المتوقع أن تسفر الطريقة المطورة عن معرفة جديدة حول التفاعل بين الضوء والمادة في هذه المواد وتساعد في تطوير مواد جديدة للخلايا الشمسية ذات خصائص فريدة.
خلفية:
إن مزايا الطاقة الشمسية - الطاقة التي تأتي من الشمس - معروفة منذ سنوات، وقد أدت محاولة تسخيرها لتلبية احتياجات الإنسان إلى تطورات عديدة، بما في ذلك الخلايا الشمسية الكهروضوئية. تقوم هذه الأجهزة بامتصاص جزيئات الضوء (الفوتونات) الموجودة في مادة شبه موصلة، وهذه تعطي طاقتها لشحنات كهربائية متحركة تعرف بالإلكترونات والثقوب وتعطيها جهدا كهربائيا يسمح لها ببذل شغل (طاقة حرة). يتم التعبير عن هذا العمل بالطاقة الكهربائية في الخلايا الكهروضوئية، ومن حيث المبدأ، قد تلبي هذه الخلايا جميع احتياجاتنا من الطاقة.
وتنبع الصعوبة الرئيسية في التحول إلى الطاقة الشمسية المستدامة من تغير توافر ضوء الشمس على مدار ساعات النهار واعتماد هذا الضوء على السحب والضباب. يشتق إنتاج الكهرباء للخلية الكهروضوئية من شدة الضوء الساقط عليها، ولذلك فهو يختلف من ساعة إلى أخرى، ومن موسم إلى آخر، وفي العديد من أيام السنة يكون محدودًا بالغيوم والضباب. لكي نتمكن من الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر طاقة مركزي يمكنه تلبية الاحتياجات من الكهرباء والحرارة والوقود وغيرها من الاحتياجات في جميع ساعات النهار وفي جميع فصول السنة، لا بد من تحويلها إلى طاقة قابلة للتخزين (التخزين) وتحويلها مرة أخرى إلى كهرباء وحرارة ووقود حسب الحاجة. وهكذا، على سبيل المثال، من الممكن تخزين الكهرباء المنتجة في الخلايا الشمسية الكهروضوئية في بطاريات قابلة لإعادة الشحن، وتحويلها مرة أخرى إلى كهرباء عند الحاجة. التخزين في البطاريات يزيد من تكلفة الكهرباء الشمسية ويصلح للاستخدام خلال يوم واحد على الأكثر. فالتخزين طويل الأمد، من موسم لآخر مثلاً، يتطلب حلولاً تكنولوجية أخرى، كما هو الحال مع احتياجات الطاقة الأخرى، إلى جانب إنتاج الكهرباء، مثل التدفئة المنزلية والصناعية، ووقود النقل، وغيرها.
يمكن تنفيذ مثل هذا الحل باستخدام الخلايا الكهروكيميائية الضوئية التي تعمل بطريقة مشابهة للخلايا الكهروضوئية، ولكنها بدلاً من الكهرباء تنتج الهيدروجين عن طريق تقسيم جزيئات الماء إلى مكونيها - الأكسجين والهيدروجين. ويتم تخزينها لاستخدامها في المستقبل، إما لإنتاج الكهرباء أو لقيادة السيارات الكهربائية التي تعمل بالهيدروجين باستخدام خلية وقود تحل محل مجموعة البطاريات في السيارات الكهربائية مثل تسلا وغيرها. ويسمى الهيدروجين الناتج بهذه الطريقة بالهيدروجين "الأخضر" وهو بديل مثالي للوقود الهيدروكربوني حيث أن إنتاجه واستخدامه لا يصاحبه انبعاث غازات دفيئة أو أي شيء آخر باستثناء الماء المقطر.
تستخدم الخلايا الكهروكيميائية الضوئية لتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين "أخضر" العديد من مجموعات البحث والتطوير في الأوساط الأكاديمية، لكن هذه التقنيات لم تنضج بعد للتطبيق. ويرجع ذلك أساسًا إلى محدودية المواد التي يمكن استخدامها فيها. وعلى غرار الخلايا الكهروضوئية، يتكون قلب الخلية هنا أيضًا من مادة شبه موصلة تمتص الفوتونات وتحول طاقتها (الطاقة الإشعاعية) إلى شغل، أما هنا يتم التعبير عن الشغل بالطاقة الكيميائية المخزنة في الروابط الكيميائية من جزيئات الهيدروجين والأكسجين الناتجة عن انقسام جزيئات الماء. ولهذا الغرض، يتم غمر شبه الموصل في محلول كهربائي مائي ذو خصائص أكالة لا تسمح باستخدام أشباه الموصلات العادية مثل السيليكون المستخدم في الخلايا الكهروضوئية. تتطلب هذه القيود وغيرها أشباه موصلات أخرى ذات خصائص فريدة لا توجد عادة.
نتائج البحث وأهميته:
لأكثر من عقد من الزمن، يقوم البروفيسور أفنير روتشيلد ومجموعته البحثية في التخنيون بالبحث عن معدن يسمى الهيماتيت، وهو نوع من أكسيد الحديد ذو تركيبة كيميائية مشابهة للصدأ، وله مجموعة من الخصائص اللازمة للكيمياء الكهروضوئية. خلية لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وقد أدى هذا البحث إلى إنجازات علمية وتكنولوجية نشرت في مجلات علمية رائدة من مجموعة Nature وغيرها. وعلى الرغم من التحسينات التي تم تحقيقها في خصائص المادة وبنية الخلية الكهروضوئية، فإن كفاءة تحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي في الأجهزة المعتمدة على الهيماتيت تصل إلى أقل من نصف الحد النظري لهذه المادة. وبالمقارنة، فإن خلايا السيليكون الضوئية تصل إلى ما يقرب من 100% من الحد النظري للسيليكون.
وبعد سنوات من الأبحاث التي قلب فيها الباحثون كل حجر في طريقهم لتحسين خصائص المادة وبنية الخلية، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن الكثير من المخفي يقع فوق المرئي ولا بد من وجود عامل اختفاء فريد للهيماتيت الذي يمنع الوصول إلى الحد النظري المعروف لهذه المادة. وفي دراستهم الأخيرة، التي نُشرت للتو في المجلة العلمية Nature Materials، كشفوا واكتشفوا هذا العامل المفقود، واقترحوا طريقة جديدة لتوصيفه في الهيماتيت والمواد الأخرى. على عكس السيليكون وأشباه الموصلات الأخرى المستخدمة في الخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية الضوئية الأخرى، حيث تنتج الفوتونات الممتصة في المادة شحنات كهربائية متنقلة (إلكترونات وفجوات) يمكنها التحرك بحرية وتوليد تيار كهربائي، فإن جزءًا كبيرًا من الفوتونات يصل إلى الهيماتيت يتم امتصاصها بطريقة مختلفة من خلال التحولات الإلكترونية المحلية التي يتحرك فيها الإلكترون من حالة الطاقة (تسمى المدار) واحدة تلو الأخرى في نفس الذرة أو في الرابطة الكيميائية بين ذرتين متجاورتين. وبما أن مثل هذا الإلكترون يظل موجودًا في موقع محدد في البلورة، فإنه ليس لديه القدرة على الحركة (التنقل)، وبالتالي لا يمكنه المساهمة في توليد تيار كهربائي. لذلك، فإن الفوتونات الممتصة بهذه الطريقة "تهدر" ولا تساهم في توليد تيار كهربائي (في الخلية الكهروضوئية) أو الهيدروجين (في الخلية الكهروكيميائية الضوئية).
نظرًا للخصائص الكيميائية والفيزيائية الفريدة التي يتم التعبير عنها، من بين أمور أخرى، في التفاعل القوي بين الإلكترونات والذرات في البلورة، فإن جزءًا كبيرًا (حوالي النصف) من الفوتونات التي يمتصها الهيماتيت يخلق تحولات إلكترونية محلية من هذا النوع. وقد تميزت هذه الخاصية لأول مرة في هذه الدراسة بالاعتماد على الطول الموجي للفوتونات الضاربة للمادة، في الهيماتيت وبعض الأكاسيد شبه الموصلة الأخرى حيث وجد أن الظاهرة هامشية مقارنة بالهيماتيت. ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أن هذه ظاهرة غير معروفة، وبالتالي على الأرجح أنها موجودة أيضًا في أشباه الموصلات الأخرى. إن مجرد الكشف عن الظاهرة ورسم مسار لتوصيفها يشكل طفرة علمية في دراسة التفاعل بين الضوء والمادة في المواد ذات المواد الإلكترونية المترابطة، وله أهمية عملية في دراسة المواد الجديدة للخلايا الشمسية ذات خصائص فريدة، مثل الخلايا الكهروكيميائية الضوئية لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، موضوع البحث الحالي.
المقالة المنشورة في مجلة Nature Materials المرموقة قادها باحثون من مجموعة بحث البروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون، بما في ذلك الدكتور دانييل غروه (عالم كبير في قسم هندسة المواد في جامعة بن - جامعة غوريون في النقب)، د. ديفيد إليس وطالبة الدكتوراه يفعات بيكنر من برنامج التخنيون الكبير للطاقة (GTEP)، بالتعاون مع باحثين من معهد أبحاث الوقود الشمسي بقيادة البروفيسور. رويل فان دي كرول في هيلمهولتز سنتروم برلين. تم دعم هذه الدراسة من قبل مركز أبحاث المحفزات الضوئية والأقطاب الكهربائية الضوئية لإنتاج الهيدروجين في برنامج بدائل البترول التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (ISF)، ومركز الطاقة الكبير في التخنيون (GTEP)، ومعهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو (RBNI).
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
