واعتبارًا من اليوم، يمكن للخلايا الشمسية العضوية أن تحقق مستوى كفاءة يصل إلى 12% من حيث تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء متاحة، مقارنة بمستوى كفاءة مضاعف يبلغ 25-20% في الخلايا القائمة على السيليكون. والآن، اكتشف الباحثون أن التحكم في دوران الإلكترونات في هذه الخلايا يؤدي إلى تحسين أدائها بشكل ملحوظ،
الخلايا الشمسية العضوية، وهي عائلة جديدة من الخلايا الشمسية التي تحاكي العملية الطبيعية التي تتم في النباتات الخضراء، وهي عملية التمثيل الضوئي، قد تحدث ثورة في مجال الطاقة المتجددة، بشرط أن تكون أكثر قدرة على المنافسة اقتصاديا مقارنة بخلايا السيليكون التجارية المستخدمة حاليا في هذا السوق.
واعتبارًا من اليوم، يمكن للخلايا الشمسية العضوية أن تحقق مستوى كفاءة يصل إلى 12% من حيث تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء متاحة، مقارنة بمستوى كفاءة مضاعف يبلغ 25-20% في الخلايا القائمة على السيليكون. والآن، اكتشف الباحثون أن التحكم في دوران الإلكترونات في هذه الخلايا يؤدي إلى تحسين أدائها بشكل كبير، مما يحقق تقدمًا أساسيًا في السعي لتطوير تقنيات طاقة شمسية رخيصة وفعالة. ونُشر البحث، الذي أجراه علماء من جامعتي كامبريدج وواشنطن، في مجلة Nature المرموقة.
تحاكي الخلايا الشمسية العضوية عملية التمثيل الضوئي باستخدام جزيئات كبيرة تعتمد على ذرات الكربون القادرة على الاستفادة من ضوء الشمس، بدلا من أشباه الموصلات غير العضوية المستخدمة عادة في الخلايا الشمسية التجارية المعتمدة على السيليكون. يمكن أن تكون الخلايا العضوية رقيقة وخفيفة الوزن ومرنة للغاية، ويمكن تطويرها بمساعدة طباعتها بالحبر، بطريقة مشابهة لطباعة الصحف، وهي عملية تتيح إنتاجًا أسرع وأرخص من العمليات الموجودة في الصناعة. اليوم.
على الرغم من هذه المزايا المهمة، فإن الخلايا الشمسية العضوية تواجه مشكلة خطيرة، حيث واجه العديد من العلماء، حتى الآن، ضغوطًا شديدة لفهم السبب وراء أداء بعض الجزيئات، بشكل غير متوقع، بشكل جيد للغاية، في حين أن أداء بعضها الآخر ضعيف للغاية.
وقد طور باحثون من جامعة كامبريدج أساليب تعتمد على الليزر لتتبع الحركة والتفاعلات بين الإلكترونات المتدفقة في هذه الخلايا. ولدهشته، اكتشف فريق العلماء أن الاختلافات في الأداء بين المواد المختلفة يمكن أن تكون مرتبطة بالخاصية الكمومية المعروفة باسم "السبين" (السبين الإلكتروني). الدوران هو خاصية للجسيمات تتعلق بزخمها الزاوي، حيث يمكن أن يكون للإلكترونات نوعان من الدوران: تدور لأعلى وتدور لأسفل. يمكن أن تخضع الإلكترونات الموجودة داخل الخلايا الشمسية لعملية إعادة التركيب حيث تفقد طاقتها (الحالة المثارة التي كانت فيها) و"تهبط" مرة أخرى إلى حالة مجوفة تُعرف باسم "الثقب".
اكتشف الباحثون أنه من خلال ترتيب دوران الإلكترونات بطريقة محددة، يمكنهم منع فقدان الطاقة بعد عملية التوحيد وبالتالي زيادة التيار الوارد من الخلية. "هذا الاكتشاف مثير للغاية، لأننا نفهم الآن كيفية الاستفادة من فيزياء الدوران من أجل تحسين كفاءة وأداء الخلايا الشمسية، وهي فكرة لم نعتقد في السابق أنها ممكنة على الإطلاق. وقال الدكتور أكشاي راو، الباحث الرئيسي من جامعة كامبريدج: "نتوقع أن نرى قريباً مواد وخلايا شمسية جديدة تستفيد من هذه الآلية المبتكرة". ويرى فريق الباحثين أن الأفكار التصميمية التي ستخرج من هذا البحث يمكن أن تساعد في سد الفجوة بين الخلايا العضوية وخلايا السيليكون، وإدخالها في النهاية إلى الإنتاج التجاري. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق بعض الأفكار الجديدة في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (مصابيح LED العضوية)، والتي تشكل اليوم تقنية عرض جديدة تنمو بوتيرة سريعة وتتيح تطوير شاشات أكثر كفاءة في الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. وكذلك في شاشات التلفاز، فهي تعرض مثل سطح مرن وقابل للطي يمكن ارتداؤه على الذراع أو حتى الأصابع.
أخبار الدراسة
.
